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Titane Pour les articles homonymes, voir Titanium. Le titane est l'élément chim

Titane Pour les articles homonymes, voir Titanium. Le titane est l'élément chimique de numéro atomique 22, de symbole Ti. C'est un métal de transition léger, résistant, d'un aspect blanc métallique, qui résiste à la corrosion. Le titane est principalement utilisé dans les alliages légers et résistants, et son oxyde est utilisé comme pigment blanc. On trouve cet élément dans de nombreux minerais mais ses prin- cipales sources sont le rutile et l'anatase. Il appartient au groupe des titanes avec le zirconium (Zr), le hafnium (Hf) et le rutherfordium (Rf). Les propriétés industriellement intéressantes du titane sont sa résistance à la corrosion, souvent associée à la résistance à l’érosion et au feu, la biocompatibilité, mais aussi ses propriétés mécaniques (résistance, ductilité, fa- tigue, etc.) qui permettent notamment de façonner des pièces ﬁnes et légères comme les articles de sport, mais aussi des prothèses orthopédiques. 1 Histoire Le titane a été découvert par le révérend William Gre- gor en 1791[7], minéralogiste et pasteur britannique. En analysant des sables de la rivière Helford dans la vallée de Menachan en Cornouailles, il isola ce qu'il nomma du sable noir, connu aujourd’hui sous le nom d'ilménite. À la suite de plusieurs manipulations physico-chimiques (ex- traction du fer par des procédés magnétiques et traite- ment du résidu par de l’acide chlorhydrique), il produisit un oxyde impur d'un métal inconnu. Il nomma cet oxyde menachanite. Indépendamment de cette découverte, en 1795[7], Martin Heinrich Klaproth, professeur de chimie analytique à l'université de Berlin, identiﬁa le même mé- tal. Alors qu'il analysait les propriétés du schörlite rouge, aujourd’hui connu sous le nom de rutile, il conclut que le minerai contenait un métal inconnu identique à celui de Gregor. Il lui donna son nom actuel de « Titane », ti- ré de la mythologie grecque, en ignorant totalement ses propriétés physico-chimiques. C'est Berzelius qui l'isola en 1825[7]. Il a fallu attendre plus d'un siècle après la découverte de Gregor pour que l'Américain Matthew Albert Hun- ter, chercheur au Rensselaer Polytechnic Institute à Troy (New York), soit capable, en 1910, de produire du titane pur à 99 %. Les premières obtentions de titane par Hun- ter ne furent pas suivies du moindre développement in- dustriel. En 1939, le procédé industriel de production fut ﬁnale- ment mis au point par Wilhelm Justin Kroll, métallurgiste et chimiste luxembourgeois, consultant au Union Carbide Research Laboratory de Niagara Falls (New York) par réduction du TiCl4 avec du magnésium. 2 Propriétés physiques 2.1 Propriétés physiques de base Caractéristiques physiques remarquables du titane : • Sa masse volumique est environ 60 % de celle de l’acier. • Sa tenue à la corrosion est exceptionnelle dans de nombreux milieux tels que l’eau de mer ou l’orga- nisme humain. • Ses caractéristiques mécaniques restent élevées jus- qu’à une température d’environ 600 °C et restent ex- cellentes jusqu’aux températures cryogéniques. • Il est disponible sous des formes et des types de pro- duits très variés : lingots, billettes, barres, ﬁls, tubes, brames, tôles, feuillard. • Sa valeur de susceptibilité magnétique (1,8 à 2 3×10−4) est très inférieure à celle du fer (3×105). C'est donc un matériau avantageux en cas de diag- nostic par IRM : diminution des artefacts. • Son coeﬃcient de dilatation, légèrement inférieur à celui de l’acier, est moitié moins que celui de l’aluminium. On prendra pour valeur moyenne un coeﬃcient de dilatation de 8,5×10−6 K−1. • Son module de Young ou module d'élasticité lon- gitudinal se situe entre 100 000 MPa et 110 000 MPa. Cette valeur assez faible comparée à l'acier inox (220 000 MPa) en fait un matériau particuliè- rement intéressant pour sa biocompatibilité. 2.2 Propriétés cristallographiques Le titane pur est le siège d’une transformation allotro- pique de type martensitique au voisinage de 882 °C. En dessous de cette température, la structure est hexago- nale pseudo-compacte (a=0,295 nm ; c = 0,468 nm : c/a 1 2 4 RÉSISTANCE AU FEU = 1,633) et est appelée Ti α (groupe d'espace no 194 P63/mmc). Au-dessus de cette température la structure est cubique centrée (a=0,332 nm) et est appelée Ti β. La température de transition α→β est appelée transus β. La température exacte de transformation est largement in- ﬂuencée par les éléments substitutifs et interstitiels. Elle dépend donc fortement de la pureté du métal. Structure cristallographique des mailles α et β du titane. 2.3 Isotopes Article détaillé : Isotopes du titane. On trouve le titane sous la forme de 5 isotopes dans la nature : 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti. Le 48Ti représente l'isotope majoritaire avec une abondance naturelle de 73,8 %. 21 radioisotopes ont été observés, le plus stable le 44Ti possède une demi-vie de 63 ans. 2.4 Oxydes Le titane peut se trouver sous plusieurs états d'oxydation comme de nombreux métaux de transition. Il pos- sède donc plusieurs oxydes correspondant à ces degrés d'oxydation : • Monoxyde de titane TiO - Ti(II) • Trioxyde de dititane Ti2O3 - Ti(III) • Dioxyde de titane TiO2 - Ti (IV) • Trioxyde de titane TiO3 - Ti(VI) 3 Propriétés mécaniques 3.1 Érosion La couche d’oxyde très adhérente et dure explique la lon- gévité de pièces en titane soumises aux chocs de parti- cules en suspension dans les ﬂuides. Cet eﬀet est am- pliﬁé par la capacité qu'a cette couche de se régénérer. L'érosion dans l’eau de mer est augmentée par un débit plus élevé ou une granulométrie plus faible. 3.2 Résistance et ductilité Le titane est considéré comme un métal ayant une ré- sistance mécanique importante et une bonne ductilité dans les conditions normales de température. Sa résis- tance spéciﬁque (rapport résistance à la traction / densi- té) est, par exemple, plus élevée que celle de l’aluminium ou l’acier. Sa résistance est décroissante à la température avec un replat entre −25 °C et 400 °C. En dessous de −50 °C, dans les domaines de températures cryogéniques, sa résistance augmente et sa ductilité diminue grandement. Sans qu’il n’y ait aucun fondement théorique, l’endurance en fatigue vaut environ 70 % de la résistance à la traction. 3.3 Usure et grippage Jusqu’à ce jour aucune solution satisfaisante n’a encore été mise au point. On a essayé principalement l’oxyda- tion, la nitruration, la boruration et la carburation. On se heurte à de nombreuses diﬃcultés technologiques de réa- lisation et d’adhérence. Ajoutons que les traitements de surface du titane, modiﬁant la nature ou la structure de la surface, ne sont à employer qu’avec la plus grande pru- dence et après une étude approfondie de leur inﬂuence ; ils ont généralement un eﬀet néfaste plus ou moins pro- noncé sur la résistance et la fatigue. 3.4 Biocompatibilité Le titane est l’un des métaux les plus bio-compatibles, avec l’or et le platine, c’est-à-dire qu’il résiste totalement aux ﬂuides corporels. De plus, il possède une haute résistance mécanique et un module d’élasticité très bas (100 000 MPa à 110 000 MPa), plus proche de celui des structures osseuses (20 000 MPa[8]) que l'acier inox (220 000 MPa). Cette élas- ticité qui favorise le remodelage osseux en obligeant l'os à travailler (prévention du stress shielding ou ostéopo- rose péri-implantaire) fait du titane un bio-matériau par- ticulièrement intéressant. Il faut cependant noter qu'une élasticité excessive peut aussi compromettre la fonction du bio-matériau qui aurait subi une déformation inaccep- table. Le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) a classé le dioxyde de titane dans le groupe 2B « susceptible d’être cancérigène pour l’humain » : les études menées ne permettent pas de conclure[9]. 4 Résistance au feu Sa résistance au feu, notamment d’hydrocarbures, est très bonne. Il a été démontré qu’un tube de 2 mm d’épaisseur pouvait sans dommage ni risque de déformation ou d’ex- plosion supporter une pression de dix atmosphères tout en 5.2 Corrosion spéciﬁque du titane 3 étant soumis à un feu d’hydrocarbures à une température de 600 °C. Cela est dû en premier lieu à la résistance de la couche d’oxyde qui évite la pénétration de l’hydrogène dans le matériau. En outre, la faible conductivité ther- mique du titane protège plus longtemps les éléments in- ternes d’une élévation de température. 5 Propriétés chimiques 5.1 Corrosion classique du titane Le titane est un métal extrêmement oxydable. Dans la sé- rie des potentiels électrochimiques standards, il se place au voisinage de l’aluminium, entre le magnésium et le zinc. Il n’est donc pas un métal noble, son domaine de stabilité thermodynamique ne présente, en eﬀet, aucune partie commune avec le domaine de stabilité thermody- namique de l’eau et est situé fortement au-dessous de ce dernier. L’une des causes de la résistance à la corrosion du titane est le développement d’une couche protectrice pas- sivante de quelques fractions de micromètre, constituée majoritairement d’oxyde TiO2, mais il est reconnu qu’elle peut contenir d’autres variétés. Cette couche est intègre et très adhérente. En cas de rayure de la surface, l’oxyde se reforme spontanément en présence d’air ou d’eau. Il y a donc inaltérabilité du titane dans l’air, l’eau et l’eau de mer. De plus, cette couche est stable sur une large gamme de pH, de potentiel et de température. uploads/Industriel/ titane.pdf