Titane : propriétés clés, applications et utilisations industrielles

Contexte

Le titane est un métal de transition du tableau périodique, symbole Ti. Matériau léger, gris argenté, numéro atomique 22, masse atomique 47,90. Densité 4 510 kg/m³, entre aluminium et acier inoxydable. Point fusion ~1 667 °C, ébullition ~3 287 °C. Comportement chimique similaire zirconium et silicium. Excellente résistance corrosion et rapport résistance/poids élevé.

Quatrième métal le plus abondant, ~0,62 % croûte terrestre. Rarement trouvé forme pure, titane existe typiquement minéraux : anatase, brookite, ilménite, leucoxène, pérovskite, rutile, sphène. Bien que relativement abondant, reste cher car difficile à isoler. Principaux producteurs concentrés titane : Australie, Canada, Chine, Inde, Norvège, Afrique du Sud, Ukraine. Aux USA, états principaux production : Floride, Idaho, New Jersey, New York, Virginie.

Des milliers d'alliages titane développés, groupables en quatre catégories principales. Propriétés dépendent structure chimique base et manipulation pendant fabrication. Éléments alliages incluent aluminium, molybdène, cobalt, zirconium, étain, vanadium. Alliages phase alpha : résistance la plus faible mais formables et soudables. Alliages alpha+bêta : haute résistance. Alliages near-alpha : résistance moyenne mais bonne résistance fluage. Alliages phase bêta : résistance la plus élevée tous alliages titane mais manquent ductilité.

Applications titane et alliages nombreuses. Industrie aérospatiale plus grand utilisateur produits titane. Utile pour rapport résistance/poids élevé et propriétés haute température. Typiquement pièces avion et fixations. Ces mêmes propriétés utiles production turbines gaz. Pièces : aubes compresseur, carters, capots moteur, boucliers thermiques.

Bonne résistance corrosion = matériau important industrie finition métal. Ici utilisé échangeurs chaleur, gabarits, revêtements. Résistance titane chlore et acide = important traitement chimique. Utilisé pompes, vannes, échangeurs chaleur ligne production chimique. Industrie raffinage pétrole emploie titane tubes condenseurs pour résistance corrosion. Cette propriété aussi utile équipement désalinisation.

Titane utilisé production implants humains car bonne compatibilité corps humain. Utilisation notable récente cœurs artificiels premiers implantés humain 2001. Autres usages : hanches, stimulateurs cardiaques, défibrillateurs, coudes et articulations hanche.

Enfin, matériaux titane utilisés production nombreux produits grand public : chaussures, bijoux, ordinateurs, équipements sport, montres, sculptures. Comme dioxyde titane, pigment blanc plastique, papier, peinture. Même colorant alimentaire blanc et écran solaire produits cosmétiques.

Histoire

La plupart historiens créditent William Gregor découverte titane. En 1791, travaillant ménachanite (minéral Angleterre) reconnut nouvel élément et publia résultats. Élément redécouvert quelques années plus tard minerai rutile par M. H. Klaproth, chimiste allemand. Klaproth nomma élément titane d'après géants mythologiques, Titans.

Gregor et Klaproth travaillèrent composés titane. Première isolation significative titane presque pur accomplie 1875 par Kirillov Russie. Isolation métal pur démontrée 1910 quand Matthew Hunter et associés réagirent tétrachlorure titane avec sodium bombe acier chauffée. Ce processus produisit pièces individuelles titane pur. Milieu années 1920, groupe scientifiques néerlandais créa petits fils titane pur par réaction dissociation tétraiodure titane.

Ces démonstrations incitèrent William Kroll expérimenter différentes méthodes isolation efficace titane. Premiers essais menèrent développement processus isolation titane réduction magnésium 1937. Ce processus, maintenant appelé processus Kroll, reste processus principal production titane. Premiers produits titane introduits vers 1940s : fils, feuilles, tiges.

Bien que travail Kroll démontrât méthode production titane échelle laboratoire, fallut près décennie avant adaptation production grande échelle. Travail conduit Bureau Mines USA 1938-1947 sous direction R. S. Dean. En 1947, modifications processus Kroll produisirent près 2 tonnes titane métal. En 1948, DuPont ouvra première usine fabrication grande échelle.

Cette méthode fabrication grande échelle permit utilisation titane matériau structurel. Années 1950, utilisé principalement industrie aérospatiale construction avions. Titane supérieur acier nombreuses applications, industrie croît rapidement. En 1953, production annuelle atteint 907 200 kg et client principal titane armée USA. En 1958, demande titane chuta significativement car militaire recentra focus avions habités vers missiles pour lesquels acier plus approprié. Depuis, industrie titane cycles demande haute/basse. Nombreuses nouvelles applications et industries titane et alliages découvertes au fil années. Aujourd'hui, ~80% titane utilisé industrie aérospatiale et 20% industries non-aérospatiales.

Matières premières

Titane obtenu divers minerais naturels terre. Minerais primaires production titane incluent ilménite, leucoxène, rutile. Autres sources notables : anatase, pérovskite, sphène.

Ilménite et leucoxène sont minerais titanifères. Ilménite (FeTiO₃) contient ~53% dioxyde titane. Leucoxène composition similaire mais ~90% dioxyde titane. Trouvés gisements roche dure ou plages sables alluviaux. Rutile dioxyde titane (TiO₂) relativement pur. Anatase autre forme cristalline dioxyde titane devenue récemment source commerciale significative. Trouvés principalement gisements plages sables.

Pérovskite (CaTiO₃) et sphène (CaTi-SiO₅) sont minerais calcium-titane. Aucun utilisé production commerciale titane cause difficulté éliminer calcium. Futur, pérovskite probablement utilisée commercialement car ~60% dioxyde titane et seulement calcium impureté. Sphène silicium seconde impureté rendant isolation titane encore plus difficile.

En plus minerais, autres composés utilisés production titane incluent gaz chlore, carbone, magnésium.

Titane utilisé grande variété articles : cadres vélo, implants hanche, montures lunettes, boucles d'oreilles.

Processus de fabrication

Titane produit via processus Kroll. Étapes incluent extraction, purification, production éponge, création alliage, formage et façonnage. Aux USA, nombreux fabricants se spécialisent différentes phases production. Ex: fabricants juste éponge, autres seulement fonder/créer alliage, d'autres encore produits finis. Actuellement, aucun fabricant unique ne complète toutes étapes.

Extraction

• 1 Début production, fabricant reçoit concentrés titane mines. Rutile utilisable forme naturelle, ilménite traitée pour enlever fer afin qu'elle contienne au moins 85% dioxyde titane. Matériaux mis réacteur lit fluidisé avec gaz chlore et carbone. Matériau chauffé 900°C et réaction chimique subséquente crée tétrachlorure titane impur (TiCl₄) et monoxyde carbone. Impuretés résultent fait dioxyde titane pur pas utilisé départ. Donc divers chlorures métalliques indésirables produits doivent être éliminés.

Purification

• 2 Métal réagi mis grands réservoirs distillation et chauffé. Pendant cette étape, impuretés séparées distillation fractionnée et précipitation. Action élimine chlorures métalliques incluant fer, vanadium, zirconium, silicium, magnésium.

Production éponge

• 3 Tétrachlorure titane purifié transféré liquide vers réacteur acier inoxydable. Magnésium ajouté et conteneur chauffé ~1 100°C. Argon pompé conteneur pour éliminer air et prévenir contamination oxygène/azote. Magnésium réagit chlore produisant chlorure magnésium liquide. Laisse titane pur solide puisque point fusion titane plus élevé que réaction.
• 4 Titane solide retiré réacteur par alésage puis traité eau et acide chlorhydrique pour enlever excès magnésium et chlorure magnésium. Solide résultant métal poreux appelé éponge.

Création alliage

• 5 Éponge titane pure peut alors être convertie alliage utilisable via four arc électrode consommable. À ce point, éponge mélangée divers ajouts alliage et ferraille. Proportion exacte éponge/matériau alliage formulée labo avant production. Masse pressée compacts et soudée ensemble, formant électrode éponge.
• 6 Électrode éponge placée four arc vide pour fusion. Dans conteneur cuivre réfrigéré eau, arc électrique fond électrode éponge formant lingot. Tout air conteneur soit éliminé (vide) soit atmosphère argon pour prévenir contamination. Typiquement, lingot refondu une ou deux fois de plus pour produire lingot commercialement acceptable. Aux USA, plupart lingots cette méthode pèsent ~4 082 kg et diamètre 76,2 cm.
• 7 Après lingot fait, retiré four et inspecté défauts. Surface conditionnée selon exigences client. Lingot peut alors être expédié fabricant produits finis où il peut être fraisé et fabriqué divers produits.

Sous-produits/Déchets

Pendant production titane pur quantité significative chlorure magnésium produite. Ce matériau recyclé cellule recyclage immédiatement après production. Cellule recyclage sépare d'abord métal magnésium puis gaz chlore collecté. Les deux composants réutilisés production titane.

L'avenir

Avancées futures fabrication titane probablement domaines : production lingots améliorée, développement nouveaux alliages, réduction coûts production, application nouvelles industries. Actuellement, besoin lingots plus grands que ceux produits fours disponibles. Recherche en cours développer fours plus grands répondant besoins. Travail aussi fait trouver composition optimale divers alliages titane. Finalement, chercheurs espèrent matériaux spécialisés microstructures contrôlées facilement produits. Finalement, chercheurs investiguent différentes méthodes purification titane. Récemment, scientifiques Cambridge University annoncèrent méthode production titane pur directement depuis dioxyde titane. Pourrait substantiellement réduire coûts production et augmenter disponibilité.

Pour en savoir plus

Livres

Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. New York: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

Périodiques

Freemantle, M. "Titanium Extracted Directly from TiO2." Chemical and Engineering News (25 septembre 2000).

Eylon D. "Titanium for Energy and Industrial Applications." Metallurgical Society AIME (1987).

Autres

WebElements Web Page. Décembre 2001. .

Perry Romanowski