Guide complet de l'usinage des alliages de titane

Le titane et ses alliages utilisent leurs propriétés uniques pour être de plus en plus largement utilisés dans les domaines aérospatial et biomédical. Ce métal populaire a des effets antirouille et antichimiques, peut être recyclé, et possède légèreté, haute résistance et excellente résistance à la corrosion, ce qui résout de nombreux problèmes d'ingénierie. Les pièces en titane durent plus longtemps et offrent de meilleures performances et résultats que d'autres métaux et matériaux.

Le titane est 30 % plus résistant que l'acier, mais près de 50 % plus léger que l'acier. Le titane est 60 % plus lourd que l'aluminium, mais sa résistance est deux fois supérieure à celle de l'aluminium. Cependant, lors de l'usinage d'alliages de titane et de la sélection des bons outils et paramètres, certains défis doivent être pris en compte.

Ici, nous avons une compréhension approfondie de l'usinage du titane, pourquoi il est si difficile à traiter, et fournissons quelques aperçus techniques et astuces qui peuvent améliorer le taux de réussite du traitement du titane, ainsi que ses avantages et applications.

Variétés d'usinage du titane

Il existe de nombreux grades et variétés d'alliages de titane, plus de 100 types. Chaque alliage a ses propres propriétés uniques. 40 à 50 types sont disponibles dans l'industrie, et plus d'une dizaine sont les plus couramment utilisés. Y compris diverses nuances de titane pur industriel et alliages de titane sélectionnés, tels que Ti-6AL-4V, Ti-5AL-2.5Sn, TI-2AL-1.5Mn, Ti-3AL-2.5V, Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6AL-2Sn-4Zr-6Mo, et Ti-10V-2Fe-3AL et Ti-0.20Pd, T-0.3Mo-0.8N, etc. Cependant, pour la plupart des pays, les deux premiers alliages importants (Ti-6Al-4V, Ti-5A-2.5Sn) sont les plus typiques, et ils sont également reconnus mondialement.

Selon la classification structurelle, les alliages de titane sont divisés en trois catégories : alliages α, alliages (α+β) et alliages β.

Alliage de titane α

C'est un alliage monophasé composé de solution solide α-phase. Il est α-phase que ce soit à température ambiante ou à température pratique plus élevée, avec une structure stable, une résistance à l'usure supérieure au titane pur, et une forte résistance à l'oxydation. À une température de 500 °C à 600 °C, il maintient toujours sa résistance et sa résistance au fluage, mais ne peut pas être renforcé par traitement thermique, et sa résistance à température ambiante n'est pas élevée.

Alliage de titane β

C'est un alliage monophasé composé de solution solide β-phase. Il a une haute résistance sans traitement thermique. Après trempe et vieillissement, l'alliage est davantage renforcé. La résistance à température ambiante peut atteindre 1372 ~ 1666 MPa ; mais la stabilité thermique est pauvre et il n'est pas adapté à une utilisation à haute température.

Alliage de titane α+β

C'est un alliage biphasé avec de bonnes propriétés globales, une bonne stabilité structurelle, une bonne ténacité, plasticité et propriétés de déformation à haute température, et peut bien effectuer le traitement de pression à chaud, et peut être trempé et vieilli pour renforcer l'alliage. La résistance après traitement thermique est environ 50 % à 100 % supérieure à l'état recuit ; la résistance à haute température est élevée, et il peut travailler longtemps à une température de 400 °C ~ 500 °C, et sa stabilité thermique est seconde après celle de l'alliage de titane α.

Les plus couramment utilisés des trois alliages de titane sont l'alliage α et l'alliage α+β. L'alliage α a la meilleure usinabilité, suivi de l'alliage α+β, et l'alliage β est le pire.

Pourquoi le titane est-il difficile à usiner ?

Phénomènes physiques de l'usinage du titane

La force de coupe lors du traitement d'alliage de titane n'est que légèrement supérieure à celle de l'acier de même dureté, mais le phénomène physique du traitement d'alliage de titane est beaucoup plus complexe que celui du traitement de l'acier, ce qui fait que l'usinage d'alliage de titane fait face à d'énormes difficultés.

La conductivité thermique de la plupart des alliages de titane est très faible, seulement 1/7 de celle de l'acier et 1/16 de celle de l'aluminium. Par conséquent, la chaleur générée lors de la coupe de l'alliage de titane ne sera pas rapidement transférée à la pièce ou évacuée par les copeaux, mais sera concentrée dans la zone de coupe. La température générée peut atteindre 1 000 °C, provoquant une usure rapide, des fissures et la formation de bordure rapportée sur le tranchant de l'outil, l'apparition rapide d'usure des lames, et la génération de plus de chaleur dans la zone de coupe, raccourcissant davantage la durée de vie de l'outil.

La haute température générée pendant le processus de coupe détruit également l'intégrité de surface des pièces en alliage de titane, entraînant une diminution de la précision géométrique des pièces et un phénomène d'écrouissage qui réduit sévèrement sa résistance à la fatigue.

L'élasticité de l'alliage de titane peut être bénéfique pour les performances des pièces, mais dans le processus de coupe, la déformation élastique de la pièce est une cause importante de vibration. La pression de coupe fait que la pièce « élastique » s'éloigne de l'outil et rebondit, de sorte que le frottement entre l'outil et la pièce est supérieur à l'action de coupe. Le processus de frottement génère également de la chaleur, ce qui aggrave la faible conductivité thermique des alliages de titane.

« Chaud » est le « coupable » dans la difficulté d'usinage des alliages de titane !

Comment améliorer l'usinage du titane ?

Sur la base de la compréhension du mécanisme de traitement des alliages de titane, plus l'expérience précédente, les principaux savoir-faire technologiques pour le traitement des alliages de titane sont les suivants :

Plus de fluide de coupe

Le titane est un isolant, donc la chaleur générée pendant l'opération de coupe a tendance à rester près de l'outil de coupe. Une façon évidente de gérer l'excès de chaleur est d'ajouter du fluide de coupe. La zone de travail et les outils sont arrosés avec un fluide de coupe concentré à 10 % fourni à haute pression pour assurer que la zone de contact reste froide et que tous les copeaux porteurs de chaleur peuvent être lavés.

Fluide de coupe à haute pression

Pour les applications de tournage, l'emplacement et la pression du fluide de coupe sont critiques. Avec l'application correcte, des vitesses de coupe plus élevées et des taux d'enlèvement de métal plus importants peuvent être atteints. Le seul inconvénient est que le matériau sous-jacent se redéposera sur la surface de la pièce. Cela peut être surmonté en planifiant la stratégie de coupe et en réduisant la pression du fluide de coupe pour la finition finale.

Avance constante

Le titane a tendance à s'écrouir, c'est-à-dire que lors de la coupe du matériau, le titane devient plus dur et use donc plus d'outils. L'avance constante assure que le matériau écroui est maintenu au minimum absolu.

Augmenter le taux d'avance

Si la machine le permet, augmenter le taux d'avance signifie que l'outil passe moins de temps dans une zone spécifique, donc il n'y a plus de temps pour l'accumulation de chaleur et l'écrouissage d'affecter le tranchant de l'outil.

Outillage

La pointe en carbure revêtue PVD est l'outil le plus approprié pour couper le titane. Des revêtements d'outils plus récents et plus avancés peuvent également être fournis, tels que TiAIN (nitrure de titane-aluminium). Le titane est un matériau élastique, donc cet outil tranchant est absolument essentiel. Les outils émoussés essuieront la surface et provoqueront des vibrations.

Contrôle des copeaux

Le titane produit de longs copeaux, qui peuvent facilement endommager l'outil et marquer la surface de la pièce. De plus, les copeaux longs et fins ne sont pas idéaux car ils n'aident pas à transférer la chaleur loin de la zone de travail. Par conséquent, lors de l'usinage du titane, des outils et des trajectoires d'outils idéaux sont idéaux pour produire des copeaux plus petits et plus épais.

Trajectoire d'outil

Choisir la bonne trajectoire d'outil lors de l'usinage du titane est aussi important que de choisir le bon outil. Lors de l'usinage du titane, il est absolument nécessaire de s'assurer que la trajectoire d'outil engage toujours la pièce. Lors de la coupe d'une rainure, la trajectoire d'outil combinée avec un motif cycloïdal réduira le temps d'engagement de toute rainure avec le matériau, ce qui aide à limiter l'accumulation de chaleur. Faire entrer et sortir l'outil de coupe de la pièce aide à réduire les chocs et les mouvements brusques qui peuvent gravement endommager l'outil.

Machine-outil

Une machine-outil robuste est essentielle pour l'usinage réussi du titane. La fraiseuse à titane idéale doit être rigide, et la broche doit pouvoir fonctionner à basse vitesse de broche et couple élevé. Cela aide à absorber les vibrations et à réduire le grincement pendant la coupe, ce qui est un problème courant lors de l'usinage d'alliages de titane.

Avantages et inconvénients de l'usinage du titane

L'alliage de titane a les avantages de légèreté, haute résistance, bonne résistance à la corrosion, etc., donc il est largement utilisé dans l'industrie automobile. L'alliage de titane le plus utilisé est dans les systèmes de moteur automobile. La faible densité de l'alliage de titane peut réduire la masse inertielle des pièces mobiles. En même temps, le ressort de soupape en titane peut augmenter la vibration libre, réduire la vibration du corps du véhicule, et augmenter le régime moteur et la puissance de sortie.

Choisir un alliage de titane peut réduire la contrainte de charge des pièces connexes et réduire la taille des pièces, réduisant ainsi la qualité du moteur et du véhicule entier. La réduction de la masse inertielle des pièces réduit les vibrations et le bruit et améliore les performances du moteur. L'application de l'alliage de titane à d'autres pièces peut améliorer le confort du personnel et l'esthétique de la voiture. Dans l'application de l'industrie automobile, l'alliage de titane a joué un rôle inestimable dans l'économie d'énergie et la réduction de la consommation.

Haute résistance à la corrosion, excellente biocompatibilité et meilleur rapport résistance/poids de tous les métaux. Ces qualités font de l'alliage de titane un matériau particulièrement recherché dans les industries aérospatiale et médicale.

En raison de son affinité pour d'autres éléments, le titane ne peut pas être trouvé naturellement, donc des processus complexes et énergivores sont nécessaires pour le raffiner. Cela signifie que le prix des alliages de titane est beaucoup plus élevé que celui des autres métaux, que ce soit la fusion initiale du métal ou le traitement ultérieur.

Un autre inconvénient majeur du titane est la difficulté technique du processus d'usinage.

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