1. Introduction
Le point de fusion à l’équilibre du pur titane (De) à 1 l'atmosphère est 1668.0 °C (≈ 1941.15 K, 3034.4 °F).
Ce numéro unique est une référence cruciale, mais pour l'ingénierie et la production, ce n'est que le point de départ: le titane présente une transformation allotropique α → β à ≈ 882 °C;
les alliages et les impuretés produisent des plages solidus/liquidus plutôt qu'un seul point; et l’extrême réactivité chimique du titane à des températures élevées oblige les fabricants à le fondre et à le manipuler sous vide ou dans des environnements inertes..
Cet article explique le point de fusion en termes thermodynamiques, montre comment l'alliage et la contamination modifient le comportement de fusion/solidification, fournit des estimations pratiques de l'énergie de fusion et décrit les technologies de fusion industrielle et les contrôles de processus nécessaires pour produire des produits propres., produits haute performance en titane et en alliage de titane.
2. Le point de fusion physique du titane pur
| Quantité | Valeur |
| Point de fusion (Ti aussi, 1 ATM) | 1668.0 °C |
| Point de fusion (Kelvin) | 1941.15 K (1668.0 + 273.15) |
| Point de fusion (Fahrenheit) | 3034.4 °F (1668.0 × 9/5 + 32) |
| Transformation allotropique (une → b) | ~882 °C (≈ 1155 K) — changement important à l'état solide en dessous du point de fusion |
3. Thermodynamique et cinétique de fusion
- Définition thermodynamique: la fusion est la transition de phase du premier ordre à laquelle les énergies libres de Gibbs des phases solide et liquide sont égales.
Pour un élément pur à pression fixe, il s'agit d'une température bien définie (le point de fusion). - Chaleur latente: l'énergie est absorbée sous forme de chaleur latente de fusion pour briser l'ordre cristallin; la température n'augmente pas pendant le changement de phase jusqu'à ce que la fusion soit complète.
- Cinétique et sous-refroidissement: pendant la solidification, le liquide peut rester en dessous du point de fusion d'équilibre (liquide) température - sous-refroidissement - qui modifie les taux de nucléation et la microstructure (taille des grains, morphologie).
En pratique, la vitesse de refroidissement, les sites de nucléation et la composition de l'alliage déterminent le chemin de solidification et la microstructure finale. - Nucléation hétérogène ou homogène: les systèmes réels se solidifient par nucléation hétérogène (sur les impuretés, murs moulés, ou inoculants), Ainsi, la propreté du processus et la conception du moule influencent le comportement efficace de solidification..
4. Allotropie et comportement de phase pertinents pour la fusion
- un ↔ transformation β: le titane a deux structures cristallines à l'état solide: hexagonal en emballage serré (α-Ti) stable à basse température et cubique centré sur le corps (β-Ti) stable au-dessus du Transition β (~882 °C pour le Ti pur).
Ce changement allotropique est bien inférieur au point de fusion mais affecte le comportement mécanique et l'évolution microstructurale lors du chauffage et du refroidissement.. - Implications: l'existence de phases α et β signifie que de nombreux alliages de titane sont conçus pour exploiter α, a+b, ou champs de phase β pour la force requise, ténacité et réponse au traitement.
Le transus β contrôle les fenêtres de forgeage/traitement thermique et influence le comportement d'un alliage à l'approche de la fusion lors de processus tels que le soudage ou la refusion..
5. Comment l'alliage, les impuretés et la pression affectent la fusion/solidification
- Alliages: la plupart des pièces techniques en titane sont des alliages (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, etc.). Ces alliages montrent Solide → liquide intervalles de température; certains ajouts d'alliage augmentent ou diminuent le liquidus et élargissent la plage de congélation.
Des plages de congélation plus larges augmentent la sensibilité aux défauts de retrait et rendent l'alimentation plus difficile pendant la solidification.. Utilisez toujours les données solidus/liquidus spécifiques à l'alliage pour les points de consigne du processus.. - Interstitiels & éléments de clochard: oxygène, l’azote et l’hydrogène ne sont pas de simples « changeurs de point de fusion », mais ils affectent fortement les propriétés mécaniques (l'oxygène et l'azote augmentent la résistance mais fragilisent).
Contaminants traces (Fe, Al, V, C, etc.) affecter la formation de phase et le comportement de fusion. De petites quantités de contaminants à faible point de fusion peuvent créer des anomalies de fusion locales. - Pression: une pression élevée augmente légèrement le point de fusion (Relation de Clapeyron). La fusion industrielle du titane se fait à proximité de la pression atmosphérique ou sous vide/gaz inerte;
pressions appliquées lors de la solidification (par ex., en coulée sous pression) ne modifie pas de manière significative la température de fusion fondamentale mais peut influencer la formation de défauts.
6. Plages de fusion des alliages de titane courants
Ci-dessous, un nettoyage, tableau axé sur l'ingénierie montrant fusion typique (Solide → liquide) gammes pour les alliages de titane couramment utilisés.
Les valeurs sont plages typiques approximatives utilisé pour la planification des processus et la comparaison des alliages — toujours vérifier avec certificat d’analyse du fournisseur d’alliage ou avec analyse thermique (DSC / courbe de refroidissement) pour les points de consigne exacts de fusion/traitement d'un lot particulier.
| Alliage (nom commun / grade) | Gamme de fusion (°C) | Gamme de fusion (°F) | Gamme de fusion (K) | Notes typiques |
| Titane pur (De) | 1668.0 | 3034.4 | 1941.15 | Référence élémentaire (fusion en un seul point). |
| Ti-6Al-4V (Grade 5) | 1604 – 1660 | 2919.2 – 3020.0 | 1877.15 – 1933.15 | Alliage α+β le plus largement utilisé; solidus commun → liquidus utilisé pour le traitement. |
| Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) | 1604 – 1660 | 2919.2 – 3020.0 | 1877.15 – 1933.15 | Variante ELI avec un contrôle plus strict sur les interstitiels; plage de fusion similaire. |
| Ti-3Al-2,5V (Grade 9) | 1590 – 1640 | 2894.0 – 2984.0 | 1863.15 – 1913.15 | Alliage α+β avec un liquidus légèrement inférieur à celui du Ti-6Al-4V. |
| Ti-5Al-2.5Sn (Grade 6) | 1585 – 1600 | 2885.0 – 2912.0 | 1858.15 – 1873.15 | Alliage proche de α; souvent cité avec un intervalle de fusion étroit. |
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Du-6-2-4-2 / Ti-6242) |
1680 – 1705 | 3056.0 – 3101.0 | 1953.15 – 1978.15 | Alliage α+β haute température utilisé dans l'aérospatiale; liquidus plus élevé que le Ti-6Al-4V. |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (variante β-stabilisée) | 1690 – 1720 | 3074.0 – 3128.0 | 1963.15 – 1993.15 | Forte chimie β-stabilisée – attendez-vous à une fenêtre de fusion plus élevée. |
| Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn (Ti-15-3) | 1575 – 1640 | 2867.0 – 2984.0 | 1848.15 – 1913.15 | Famille β-titane - solidus inférieur dans certaines compositions; utilisé là où une résistance élevée est nécessaire. |
| Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) | 1530 – 1600 | 2786.0 – 2912.0 | 1803.15 – 1873.15 | Alliage de type β à solidus relativement faible pour certaines compositions. |
| Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) | 1580 – 1645 | 2876.0 – 2993.0 | 1853.15 – 1918.15 | Alliage α+β utilisé dans les applications structurelles; la plage de fusion peut varier selon la chimie. |
7. Méthodes industrielles de fusion et de refusion du titane
Parce que le titane est chimiquement réactif à des températures élevées, sa fusion et sa refusion nécessitent des technologies et des atmosphères spéciales pour éviter la contamination et la fragilisation.
Méthodes industrielles courantes
- Arc à l'aspirateur de remontage (NOTRE): refusion d'électrodes consommables sous vide; largement utilisé pour affiner la chimie et éliminer les inclusions dans les lingots de haute qualité.
- Faisceau d'électrons (EB) Fusion: réalisé sous vide poussé; offre des matières fondues extrêmement propres et est utilisé pour les lingots de haute pureté et la production de matières premières pour la fabrication additive.
- Fusion à l'arc plasma / Foyer à plasma: les systèmes plasma sous vide ou sous atmosphère contrôlée sont utilisés pour la production et la récupération des alliages.
- Fusion du crâne par induction (ISM, fonte du crâne): utilise un courant induit pour faire fondre le métal à l'intérieur d'une bobine de cuivre refroidie à l'eau; un mince « crâne » solide de métal se forme et protège la matière fondue de la contamination du creuset, utile pour les métaux réactifs, notamment le titane.
- Fondre un foyer froid / électrode consommable EB ou VAR pour éponge et débris de titane: permet l'élimination des inclusions à haute densité et le contrôle des éléments de tramp.
- Production de poudre (atomisation de gaz) pour le matin: pour la métallurgie des poudres et la fabrication additive, la refusion et l'atomisation du gaz sont effectuées dans des atmosphères inertes pour produire des, poudres à faible teneur en oxygène.
- Moulage d'investissement: Nécessite des moules en céramique (résistant à 2000℃+) et titane fondu à 1700-1750℃. Le point de fusion élevé augmente le coût du moule et le temps de cycle, limiter le casting à petit, composants complexes.
Pourquoi des atmosphères vides/inertes?
- Le titane réagit rapidement avec l'oxygène, azote et hydrogène à des températures élevées; ces réactions produisent des phases stabilisées en oxygène/azote (fragile), fragilisation, et une contamination importante.
Se fondre dans sous vide ou argon de haute pureté prévient ces réactions et préserve les propriétés mécaniques.
8. Défis de traitement et atténuation
Réactivité et contamination
- Oxydation et nitruration: aux températures de fusion, le titane se forme épais, oxydes et nitrures adhérents; ces composés réduisent la ductilité et augmentent le nombre d'inclusions.
Atténuation: fondre sous vide/gaz inerte; utiliser des fondants de crâne ou des flux protecteurs dans des processus spécialisés. - Absorption d'hydrogène: provoque porosité et fragilisation (formation d'hydrure). Atténuation: matériaux à charge sèche, fusion sous vide, et contrôler l'atmosphère du four.
- Éléments de clochard (Fe, Cu, Al, etc.): les déchets incontrôlés peuvent introduire des éléments qui forment des intermétalliques fragiles ou modifier la plage de fusion — utiliser un contrôle strict des déchets et des contrôles analytiques (OES).
Problèmes de sécurité
- Feux de titane en fusion: le titane fondu réagit violemment avec l'oxygène et peut brûler; le contact avec l'eau peut produire des réactions explosives de vapeur.
Une formation spéciale et des procédures strictes sont nécessaires pour la manipulation, coulée et intervention d'urgence. - Explosions de poussière: la poudre de titane est pyrophorique; la manipulation de poudres métalliques nécessite un équipement antidéflagrant, mise à la terre, et EPI spécifiques.
- Risques liés aux fumées: le traitement à haute température peut dégager des fumées dangereuses (vapeurs d'éléments d'oxyde et d'alliage); utiliser l'extraction des fumées et la surveillance des gaz.
9. Mesure et contrôle qualité de la fusion et de la solidification
- Analyse thermique (ASN/DTA): La calorimétrie différentielle à balayage et l'analyse de l'arrêt thermique mesurent le solidus et le liquidus des alliages avec précision et prennent en charge le contrôle des points de consigne de fusion et de coulée..
- Pyrométrie & thermocouples: utiliser des capteurs appropriés; corriger l'émissivité et les oxydes de surface lors de l'utilisation de pyromètres. Les thermocouples doivent être protégés (manchons réfractaires) et calibré.
- Analyse chimique: OES (spectrométrie d'émission optique) et les analyseurs LECO/O/N/H sont essentiels pour suivre l'oxygène, teneur en azote et en hydrogène et chimie globale.
- Contrôles non destructifs: radiographie, ultrasons et métallographie pour vérifier les inclusions, porosité et ségrégation.
Pour les composants critiques, les tests de microstructure et mécaniques suivent les normes (ASTM, MSA, OIN). - Journalisation des processus: enregistrer les niveaux de vide du four, profils de température de fusion, puissance absorbée et pureté de l'argon pour maintenir la traçabilité et la répétabilité.
10. Analyse comparative avec d'autres métaux et alliages
Les données sont des valeurs industrielles représentatives adaptées à la comparaison technique et à la sélection de processus..
| Matériel | Point de fusion typique / Gamme (°C) | Point de fusion / Gamme (°F) | Point de fusion / Gamme (K) | Caractéristiques clés et implications industrielles |
| Titane pur (De) | 1668 | 3034 | 1941 | Point de fusion élevé combiné à une faible densité; excellent rapport résistance/poids; nécessite le vide ou une atmosphère inerte en raison de la réactivité élevée à des températures élevées. |
| Alliages de titane (par ex., Ti-6Al-4V) | 1600–1660 | 2910–3020 | 1873–1933 | Plage de fusion légèrement inférieure à celle du Ti pur; résistance supérieure aux températures élevées et à la corrosion; largement utilisé dans les domaines aérospatial et médical. |
| Acier au carbone | 1370–1540 | 2500–2800 | 1643–1813 | Point de fusion inférieur; bonne coulabilité et soudabilité; plus lourd et moins résistant à la corrosion que le titane. |
| Acier inoxydable (304 / 316) | 1375–1450 | 2507–2642 | 1648–1723 | Plage de fusion modérée; excellente résistance à la corrosion; une densité nettement plus élevée augmente le poids structurel. |
Aluminium (pur) |
660 | 1220 | 933 | Point de fusion très bas; excellente coulabilité et conductivité thermique; ne convient pas aux applications structurelles à haute température. |
| Alliages d'aluminium (par ex., ADC12) | 560–610 | 1040–11h30 | 833–883 | Plage de fusion étroite, idéale pour le moulage sous pression; faible coût énergétique; résistance limitée aux températures élevées. |
| Cuivre | 1085 | 1985 | 1358 | Point de fusion élevé parmi les métaux non ferreux; excellente conductivité électrique et thermique; lourd et coûteux pour les grandes structures. |
| Superalliages à base de nickel | 1300–1450 | 2370–2640 | 1573–1723 | Conçu pour les températures extrêmes; résistance supérieure au fluage et à l’oxydation; difficile et coûteux à traiter. |
| Alliages de magnésium | 595–650 | 1100–1200 | 868–923 | Densité extrêmement faible; point de fusion bas; les risques d'inflammabilité lors de la fusion nécessitent un contrôle strict du processus. |
11. Implications pratiques pour la conception, traitement et recyclage
- Conception: le point de fusion place le titane dans des applications structurelles à haute température, mais la conception doit tenir compte des coûts et des limites d'assemblage (soudage vs fixation mécanique).
- Traitement: fusion, fonderie, le soudage et la fabrication additive nécessitent tous des atmosphères contrôlées et un contrôle minutieux des matériaux.
Pour pièces moulées, Un moulage à modèle perdu sous vide ou un moulage centrifuge en atmosphère inerte est utilisé si nécessaire. - Recyclage: le recyclage des déchets de titane est pratique mais nécessite une séparation et un retraitement (NOTRE, EB) pour éliminer les éléments indésirables et contrôler les niveaux d'oxygène/azote.
12. Conclusion
Le point de fusion du titane (1668.0 °C (≈ 1941.15 K, 3034.4 °F) pour le titane pur) est une propriété fondamentale ancrée dans sa structure atomique et sa forte liaison métallique, façonner son rôle de matériau d’ingénierie haute performance.
Pureté, Éléments d'alliage, et la pression modifient son comportement de fusion, permettant la conception d'alliages de titane adaptés à diverses applications, des implants médicaux biocompatibles aux composants aérospatiaux à haute température.
Alors que le point de fusion élevé du titane pose des problèmes de traitement (nécessitant des technologies spécialisées de fusion et de soudage), il permet également un service dans des environnements où les métaux légers (aluminium, magnésium) échouer.
Mesure précise du point de fusion (via DSC, flash laser, ou méthodes de résistance électrique) et une compréhension claire des facteurs d'influence sont essentiels pour optimiser le traitement du titane, assurer l'intégrité matérielle, et maximiser les performances.
FAQ
L’alliage modifie-t-il de manière significative le point de fusion du titane?
Oui. Les alliages de titane montrent gammes solides/liquides plutôt qu'un seul point de fusion.
Certains alliages fondent légèrement en dessous ou au-dessus de l'élément selon leur composition. Utiliser les données spécifiques à l'alliage pour le traitement.
Le titane est-il magnétique?
Non. Le titane pur et les alliages de titane courants ne sont pas ferromagnétiques; ils sont faiblement paramagnétiques (très faible susceptibilité magnétique positive), ils ne sont donc attirés que de manière négligeable par un champ magnétique.
Le titane rouille-t-il?
Non, le titane ne « rouille » pas au sens d’oxyde de fer. Le titane résiste à la corrosion car il forme rapidement une fine couche, adhérent, oxyde de titane auto-cicatrisant (TiO₂) film passif qui protège le métal d'une oxydation supplémentaire.
Pourquoi le titane doit-il être fondu sous vide ou sous gaz inerte?
Parce que le titane fondu réagit vigoureusement avec l'oxygène, azote et hydrogène. Ces réactions forment des composés fragiles et des inclusions qui dégradent les propriétés mécaniques.
Quelles méthodes de fusion sont préférées pour le titane de qualité aérospatiale?
Le titane aérospatial de haute pureté est généralement produit par NOTRE (refusion à l'arc sous vide) ou EB (faisceau d'électrons) fusion pour contrôler la chimie et les inclusions.
Pour les matières premières de fabrication additive, La fusion EB et l'atomisation de gaz dans des atmosphères contrôlées sont courantes.
Combien d'énergie faut-il pour faire fondre le titane?
Une estimation théorique approximative (idéal, aucune perte) est ≈1,15 MJ par kg chauffer 1 kg à partir de 25 °C à liquide à 1668 °C (en utilisant cp ≈ 520 J·kg⁻¹·K⁻¹ et chaleur latente ≈ 297 kJ·kg⁻¹).
La consommation réelle d'énergie est plus élevée en raison des pertes et de l'inefficacité des équipements.
