Une tige en titane d'un diamètre de 10 mm peut supporter une charge de 30 tonnes et servir également de stent cardiaque dans le corps humain pendant 20 ans. Les performances « globales » de ce matériau reposent sur un processus de fabrication extrêmement rigoureux. Des matières premières aux produits finis, tout écart de 0,1% peut rendre l'ensemble du lot de produits inutilisable. Les six étapes suivantes constituent la ligne « faire-ou-défaire » dans la fabrication de tiges de titane.
1. Choisir les bonnes matières premières : les « gènes » de la performance
La performance des tiges de titane est verrouillée dès le stade de la matière première.
Aérospatiale : le Ti-6Al-4V (GR5) est largement utilisé, équilibrant la résistance et la ténacité de 900 MPa.
Implants médicaux : La teneur en impuretés doit être strictement contrôlée. Pour chaque augmentation de 1 ppm des impuretés, le risque de rejet augmente de 10 %.
Lors de la préparation des ingrédients, l'alliage maître spongieux de titane et d'aluminium-vanadium doit également être pesé avec une précision au milligramme-pour éviter les fluctuations des oligo-éléments qui pourraient conduire à une microstructure incontrôlable à un stade ultérieur.
2. Fusion : « Alchimisation » dans le vide
Le titane « avalera » l’oxygène et l’azote à des températures supérieures à 1 500 degrés et deviendra instantanément cassant. Par conséquent, le processus de fusion doit être effectué dans un four de refusion à arc sous vide (VAR) ou dans un four à sole froide à faisceau d'électrons (EBCHM).
• VAR : En faisant fondre les électrodes compactées couche par couche comme « l'impression 3D », on peut obtenir des lingots d'une pureté supérieure à 99,995 %.
EBCHM : en utilisant le balayage par faisceau électronique, les inclusions à haute-densité telles que le tungstène et le molybdène peuvent être directement évaporées. Les tiges en titane de qualité rotor d'aviation-doivent être refondues deux fois.
Après une fusion, des échantillons doivent être prélevés pour une comparaison spectrale. Si la ségrégation des composants est supérieure à 0,3 %, le four entier sera mis au rebut.
3. Traitement thermomécanique : Forger le « disque » en tendons et en os
Le lingot de titane est d'abord chauffé jusqu'au point de transition de phase (environ 995 degrés), puis bouleversé et étiré à plusieurs reprises dans la région + à deux phases -.
Ce n'est que lorsque le rapport de forgeage est supérieur ou égal à 3:1 que les micro-pores internes peuvent être compactés.
La déformation de chaque passe doit être contrôlée entre 20 % et 40 %. Si c'est trop rapide, cela provoquera des déchirures ; si c'est trop lent, les grains seront grossiers.
Ensuite, il est laminé à chaud-en billettes, avec une erreur de température requise de ± 5 degrés. Dans le cas contraire, la différence de performances entre les sections avant et arrière d'une même barre peut atteindre 15 %.
4. Traitement thermique : le « réglage-fin » de la microstructure
Recuit d'homogénéisation : 850 degrés/2 h pour éliminer la ségrégation de la composition ;
Traitement et vieillissement de la solution : trempe à l'eau à 940 degrés + 540 degré de vieillissement pendant 4 heures, permettant au rapport de phase + d'atteindre 80:20, et la résistance peut être encore augmentée de 12 %.
5. Traitement de surface : blindage des tiges de titane
• Décapage : La solution mixte de HF et HNO₃ élimine le tartre d'oxyde, révélant la base blanche d'argent-.
Grenaillage de précontrainte : des grenailles d'acier de 0,3 mm impactent la surface à 60 m/s, introduisant une contrainte de compression au niveau de 200 MPa et augmentant la durée de vie en fatigue de 50 %.
Polissage électrolytique : les tiges en titane médical subissent un polissage électrolytique pour obtenir une rugosité de surface Ra inférieure ou égale à 0,1 μm, réduisant ainsi l'adhésion bactérienne de 80 %.
Oxydation anodique : un film d'oxyde de 2 μm se forme, qui est non seulement résistant à la corrosion-, mais peut également être coloré.
6. Détection : filtrer les risques jusqu'à "zéro"
• Composition chimique : Chaque tige est inspectée par un spectromètre. Si l'écart élémentaire dépasse 0,01 %, il est mis au rebut.
Propriétés mécaniques : Prélèvement aléatoire pour essai de traction, si l'allongement à la rupture est inférieur à 10%, l'intégralité du lot sera renvoyée.
Tests non-destructifs :
- Tests par ultrasons (UT) : inclusions et défauts détectés dans les tiges de titane de taille supérieure à Ф0,8 mm.
- Eddy Current ET : détecte les fissures de surface de 0,05 mm de profondeur ;
Microstructure : Examiner la taille et la distribution des grains au microscope métallographique.
Conclusion
La fabrication de tiges de titane est une bataille contre les "défauts au niveau du micron-". Du contrôle des impuretés au niveau ppm à une rugosité de surface de 1 μm, chaque étape repousse les limites physiques. À l'avenir, l'impression 3D et la formation de formes quasi-nettes-pourront raccourcir le processus, mais la recherche des « performances ultimes » ne sera jamais compromise.
