Titane - Définition

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Propriétés physiques

Propriétés physique 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’organisme humain.
  • Ses caractéristiques mécaniques restent élevées jusqu’à une température d’environ 600 °C et restent excellentes jusqu’aux températures cryogéniques.
  • Il est disponible sous des formes et des types de produits très variés : lingots, billettes, barres, fils, tubes, brames, tôles, feuillard.
  • Sa valeur de susceptibilité magnétique (1,8 à 2,3×10-4) est inférieure à celle du fer (3×105). C'est donc un matériau avantageux en cas de diagnostic par IRM : diminution des artefacts.
  • Son module de Young ou module d'élasticité longitudinal 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 particulièrement intéressant pour sa biocompatibilité.

Propriétés cristallographiques

Le titane pur est le siège d’une transformation allotropique de type martensitique au voisinage de 882 °C. En dessous de cette température, la structure est hexagonale pseudo-compacte (a=0,295nm ; c = 0,468 nm : c/a = 1,633) et est appelée Ti α (groupe d'espace 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 influencée par les éléments substitutifs et interstitiels. Elle dépend donc fortement de la pureté du métal.

Structure cristallographique des mailles α et β du titane.

Isotopes

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%. Onze radioisotopes ont été observés, le plus stable le 44Ti possède une demi-vie de 63 ans.

Oxydes

  • Monoxyde de titane TiO
  • Dioxyde de titane TiO
  • Trioxyde de titane TiO
  • Trioxyde de dititane TiO


L'activité photocatalytique de TiO2 est fortement affectée par sa cristallinité et dimension particulaire (Pecchi et al, 2001). La modification d'anatase est seulement suffisamment active dans la photocatalyse ayant une énergie Ebg d’espace de bande de 3,2 eV. Hombikat UV-100 TiO2 se compose de la modification pure d'anatase et ses particules ont une superficie de PARI d'environ 186 m2 g-1 (en appliquant la théorie de Brunauer-Emmett-Teller d'adsorption de gaz pour la détermination de l'isotherme d'adsorption). Cependant, la majorité d'investigations ont été effectuées en utilisant Degussa P-25 TiO2. Ce matériel se compose au sujet de l'anatase 80% et du rutile 20% et à une surface spécifique de BET à peu près 55 m2/g. Le diamètre de ses particules se trouve habituellement entre 25 nm et 35 nm.

Propriétés chimiques

Corrosion classique du titane

Le titane est un métal extrêmement oxydable. Dans la série 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 thermodynamique 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 passivante 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.

Des conditions très réductrices, ou des environnements très oxydants, ou encore la présence d’ions fluor (agent complexant), diminuent le caractère protecteur de cette couche d’oxyde ; les réactifs d’attaque pour relever les micrographies sont le plus souvent à base d’acide fluorhydrique. Lors d’une réaction par cet acide, il y a formation de cation titane (II) et (III). La réactivité des solutions acides peut néanmoins être réduite par l’adjonction d’agents oxydants et/ou d’ions lourds métalliques. L’acide chromique ou nitrique et les sels de fer, nickel, cuivre ou chrome sont alors d’excellents agents inhibiteurs. Cela explique pourquoi le titane peut être utilisé dans des procédés industriels et des environnements où les matériaux conventionnels se corroderaient.

On peut bien entendu modifier les équilibres électrochimiques par adjonction d’éléments d’addition qui réduisent l’activité anodique du titane ; cela conduit à améliorer la tenue à la corrosion. Selon les desiderata de modifications, on ajoute des éléments spécifiques. Une liste non exhaustive de quelques adjuvants classiques est reprise ci-dessous :

  • déplacement du potentiel de corrosion et renforcement du caractère de cathode : adjonction de platine, palladium ou rhodium ;
  • accroissement de la stabilité thermodynamique et réduction de la propension à la dissolution anodique : adjonction de nickel, molybdène ou tungstène ;
  • augmentation de la tendance à la passivation : adjonction de zirconium, tantale, chrome ou molybdène.

Ces trois méthodes peuvent être combinées.

Corrosion spécifique du titane

Le titane est très peu sensible aux modes particuliers de corrosion tels que la corrosion caverneuse ou la corrosion par piqûre. Ces phénomènes ne sont observés qu’en cas d’utilisation dans un domaine proche d’une limite pratique de tenue à la corrosion générale. Les risques de corrosion sous contrainte apparaissent dans les conditions suivantes :

  • à froid dans l’eau de mer (en présence d’entailles aiguës seulement) ;
  • dans certains milieux particuliers tels que le méthanol anhydre ;
  • à chaud, en présence de NaCl fondu.

Les deux structures allotropiques se distinguent au niveau de la résistance à ce dernier type de corrosion ; le titane α y est fort sensible alors que le β quasiment pas.

lingot de titane cristallisé, pur à 99,995%
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