Ti 6242 : Un alliage de titane haute performance imprimé en 3D

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Les poudres d'alliage de titane ont été utilisées pour la fabrication de pièces d'excellente performance et les qualités les plus courantes sont le Ti6Al4V, mais dans certaines conditions, il existe de meilleures options telles que le TI-5553 et le TI-38644 ainsi que l'alliage de titane Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si), qui convient aux applications de haute performance et de haute température. Sa densité est de 4,5 g/cm³, ce qui lui confère un bon rapport résistance/poids. Le Ti-6242 combine une bonne résistance mécanique et une résistance aux températures élevées, ce qui en fait un matériau difficile à produire avec les techniques conventionnelles et qui peut être utilisé dans les industries aérospatiale, militaire, nucléaire et des sports motorisés. Il sera discuté dans ce document.

Composition chimique du Ti 6242 (AMS/SAE 4919)

Al 5.5-6.5
Zr 3.6-4.4
Mo 1.8-2.2
Sn 1.8-2.2
Si 0.06-0.1
O ≤0.12
C ≤0.05
H(3.1.3) ≤0.05
Éléments résiduels, total(3.1.1) ≤0.3
Titane Reste

 

La composition chimique du Ti-6242 est indiquée dans le tableau ci-dessus. Il peut être utilisé dans l'aérospatiale commerciale et militaire ainsi que dans l'industrie de l'énergie nucléaire où les composants nécessitant une excellente stabilité à haute température et un poids léger (tels que les moteurs, les composants de turbine, les structures de postcombustion, les pales de compresseur à haute pression et les extrémités chaudes du fuselage) sont essentiels pour la performance globale. Certaines zones froides n'auront besoin que d'alliages de titane ayant des propriétés à basse température, tandis que les zones chaudes bénéficieront de la stabilité à haute température fournie par le TI-6242. Ces applications nécessitent des matériaux différents, il est donc crucial de choisir le bon matériau en fonction des exigences de température de fonctionnement. Par ailleurs, le TI-6242 est le premier alliage de titane spécifié par l'AMS (American Aerospace Materials) spécifiquement pour les applications de fabrication additive. Comparé à d'autres alliages de titane ayant la même distribution de taille de particules, le TI-6242 présente une résistance à l'oxydation et une sécurité plus élevées et est plus facile à traiter.

Le TI-6242 présente une excellente stabilité à haute température, avec une résistance au fluage allant jusqu'à 500-550°C, répondant ainsi aux exigences de résistance pour les applications à haute température et de résistance au fluage. Alors que d'autres alliages de titane courants, tels que le Ti6Al4VAlors que le TI-6242 fonctionne généralement à 350°C, il est capable de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées (allant de basses températures à 500°C), même avec différentes variations de température dans certains cas extrêmes. Le défi de l'aérospatiale a toujours été d'essayer d'obtenir les performances mécaniques les plus élevées avec le poids le plus faible possible à la température la plus élevée. Les superalliages à base de nickel sont couramment utilisés dans la région la plus chaude, alors que leur densité est deux fois supérieure à celle du TI-6242, ce qui permet de réduire le poids des moteurs dans l'industrie aérospatiale tout en respectant les exigences en matière de température. Ces caractéristiques conviennent également à l'industrie de la course automobile, où la légèreté apportée par le TI-6242 permet d'améliorer les performances du moteur et le rendement énergétique. Le TI-6242 peut donc remplacer efficacement l'acier et les superalliages à base de nickel.

La poudre d'impression 3D TI-6242 répond à la conception à moyenne-haute température adaptée aux moteurs rotatifs à grande vitesse, mais elle reste difficile à utiliser car elle est sujette à des fissures dues aux contraintes résiduelles. Des poudres hautement sphériques amélioreront l'usinabilité et aideront à maintenir la stabilité du processus d'impression et à prévenir les fissures. Les propriétés de fatigue des matériaux sont très sensibles aux défauts. La réduction des défauts dans la fabrication additive est un bon moyen d'optimiser les matières premières. En outre, les propriétés mécaniques des poudre sphérique TI-6242 peut être régulé par le processus de traitement thermique cyclique.

Poudre de Ti-6242 avec différentes tailles de particules produites par AP&C

AP&C, une entreprise de fabrication de poudres de GE Additive, spécialisée dans les matériaux réactifs, en particulier la poudre de titane, est le pionnier de la fabrication de Ti-6242. Le fournisseur italien de services d'impression 3D, BEAMIT, a également effectué des recherches et montre que la résistance à la déformation du TI-6242 produit par L-PBF est d'environ 1000MPa à température ambiante et reste supérieure à 600MPa à 550°C. Ces propriétés sont comparables à celles du ti-6242 forgé et de l'IMI834, l'un des alliages de titane les plus performants à des températures élevées. Dans l'étude de l'Institut des technologies de fabrication de Singapour, un processus de traitement thermique cyclique pour la préparation de la phase α sphérique dans la fabrication additive assistée par laser de l'alliage de titane TI-6242 proche de l'α a été proposé et vérifié. La diffusion des éléments entre α et β est la force motrice de la formation de la phase α sphérique dans la fabrication additive assistée par laser de l'alliage TI-6242. Grâce à la formation de la phase α sphérique, la résistance et l'allongement de l'alliage Ti-6242 de fabrication additive assistée par laser ont été contrôlés, ce qui a permis d'atteindre les exigences de l'AMS 4919J (limite d'élasticité ≥827 MPa, allongement ≥10%). Le TI-6242 correspond au GB TA19 chinois, qui peut être fourni par plusieurs fabricants de poudre d'alliage de titane en Chine.