Titane

Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.


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Titane
ScandiumTitaneVanadium
  Structure cristalline hexagonale

22
Ti
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Ti
Zr
Table complèteTable étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Titane, Ti, 22
Série chimique métaux de transition
Groupe, Période, Bloc 4, 4, d
Masse volumique 4, 51 g·cm-3 [1]
Dureté 6
Couleur Blanc argenté
N° CAS 7440-32-6 [2]
N° EINECS 231-142-3
Propriétés atomiques
Masse atomique 47, 867 ± 0, 001 u [1]
Rayon atomique (calc) 140 pm (176 pm)
Rayon de covalence 1, 60 ± 0, 08 Å [3]
Configuration électronique [Ar] 3d2 4s2
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 10, 2
État (s) d'oxydation 4
Oxyde Amphotère
Structure cristalline Hexagonal
Propriétés physiques
État ordinaire solide
Point de fusion 1 668 °C [1]
Point d'ébullition 3 287 °C [1]
Énergie de fusion 15, 45 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 421 kJ·mol-1
Volume molaire 10, 64×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 0, 49 Pa à 1 659, 85 °C
Vitesse du son 5 990 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1, 54
Chaleur massique 520 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 2, 34×106 S·m-1
Conductivité thermique 21, 9 W·m-1·K-1
Solubilité sol. dans HCl (lentement, catalysé par les ions Pt (IV) ),
H2SO4 dilué (+ 1 à 2 gouttes HNO3) [5]
Énergies d'ionisation[1]
1re : 6, 82812 eV 2e : 13, 5755 eV
3e : 27, 4917 eV 4e : 43, 2672 eV
5e : 99, 30 eV 6e : 119, 53 eV
7e : 140, 8 eV 8e : 170, 4 eV
9e : 192, 1 eV 10e : 215, 92 eV
11e : 265, 07 eV 12e : 291, 500 eV
13e : 787, 84 eV 14e : 863, 1 eV
15e : 941, 9 eV 16e : 1 044 eV
17e : 1 131 eV 18e : 1 221 eV
19e : 1 346 eV 20e : 1 425, 4 eV
21e : 6 249, 0 eV 22e : 6 625, 82 eV
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
44Ti {syn. } 63 ans ε 0, 268 44Sc
46Ti 8, 0 % stable avec 24 neutrons
47Ti 7, 3 % stable avec 25 neutrons
48Ti 73, 8 % stable avec 26 neutrons
49Ti 5, 5 % stable avec 27 neutrons
50Ti 5, 4 % stable avec 28 neutrons
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.

C'est un métal de transition léger, résistant, d'un aspect blanc métallique, qui résiste à la corrosion. Le titane est essentiellement 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 principales sources sont le rutile et l'ilménite. 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, fréquemment associée à la résistance à l'érosion et au feu, la biocompatibilité, mais également ses propriétés mécaniques (résistance, ductilité, fatigue, etc. ) qui permettent surtout de façonner des pièces fines et légères comme les articles de sport.

Histoire

Le titane a été découvert par le révérend William Gregor en 1789[6], minéralogiste et pasteur britannique. En analysant des sables de la rivière Helford dans la vallée de Menachan en Cornouailles, il isola ce qu'il appela du sable noir, connu actuellement sous le nom d'Ilménite. Suite à plusieurs manipulations physico-chimiques (extraction du fer par des procédés magnétiques et traitement du résidu par de l'acide chlorhydrique), il produisit un oxyde impur d'un métal inconnu. Il appela cet oxyde menachanite. Indépendamment de cette découverte, en 1795[6], Martin Heinrich Klaproth, professeur de chimie analytique à l'université de Berlin, identifia le même métal. Tandis qu'il analysait les propriétés du schörlite rouge, actuellement connu sous le nom de rutile, il conclut que le minerai contenait un métal inconnu semblable à celui de Gregor. Il lui donna son nom actuel de «Titane», tiré de la mythologie grecque, en ignorant complètement ses propriétés physico-chimiques. C'est Berzelius qui l'isola en 1825[6].

Il a fallu attendre plus d'un siècle après la découverte de Gregor pour que l'américain Matthew Albert Hunter, chercheur au Rensselær Polytechnic Institute à Troy (New-York), soit capable, en 1910, de produire du titane pur à 99 %. Les premières obtentions de titane par Hunter ne furent pas suivies du moindre développement industriel.

En 1939, le procédé industriel de production fut finalement 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.

Propriétés physiques

Propriétés physique de base

Caractéristiques physiques remarquables du titane :

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 nommée Ti α (groupe d'espace 194 / P63/mmc). Au-dessus de cette température la structure est cubique centrée (a=0, 332 nm) et est nommée Ti β. La température de transition α→β est nommée transus β. La température exacte de transformation est beaucoup influencée par les éléments substitutifs et interstitiels. Elle dépend par conséquent 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


L'activité photocatalytique de TiO2 est fortement affectée par sa cristallinité et dimension particulaire (Pecchi et al, 2001). La modification d'anatase est uniquement 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% ainsi qu'à une surface spécifique de BET environ 55 m2/g. Le diamètre de ses particules se trouve généralement entre 25 nm et 35 nm.

Propriétés mécaniques

Érosion

La couche d'oxyde particulièrement adhérente et dure explique la longévité de pièces en titane soumises aux chocs de particules en suspension dans les fluides. Cet effet est augmenté 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.

Résistance et ductilité

Le titane est reconnu comme un métal ayant une résistance mécanique importante et une bonne ductilité dans les conditions standard de température. Sa résistance spécifique (rapport résistance à la traction / densité) est , par exemple, plus élevé que celle de l'aluminium ou l'acier. Sa résistance est décroissante avec 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 largement. Sans qu'il n'y ait aucun fondement théorique, l'endurance en fatigue vaut à peu près 70% de la résistance à la traction.

Usure et grippage

Jusqu'à ce jour aucune solution satisfaisante n'a toujours été mise au point. On a essayé essentiellement l'oxydation, la nitruration, la boruration et la carburation. On se heurte à de nombreuses difficultés technologiques de réalisation 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 prudence et après une étude approfondie de leur influence ; ils ont le plus souvent un effet néfaste plus ou moins prononcé sur la résistance et la fatigue.

Biocompatibilité

Le titane fait partie des métaux les plus biocompatibles, avec l'or et le platine, c'est-à-dire qu'il résiste complètement aux fluides corporels.

De plus, il possède une haute résistance mécanique et un module d'élasticité particulièrement bas (100 000 MPa à 110 000 MPa), plus proche de celui des structures osseuses (20 000 MPa[7]) que l'acier inox (220 000 MPa). Cette élasticité qui facilite remodelage osseux en l'obligeant l'os à travailler (prévention du stress shielding ou ostéoporose peri-implantaire) fait du titane un biomatériau spécifiquement intéressant. Il faut cependant noter qu'une élasticité excessive peut aussi compromettre la fonction du biomatériau qui aurait subi une déformation intolérable.

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[8].

Résistance au feu

Sa résistance au feu, surtout d'hydrocarbures, est particulièrement bonne. Il a été démontré qu'un tube de 2 mm d'épaisseur pouvait sans dommage ni risque de déformation ou d'explosion supporter une pression de dix atmosphères tout en 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 thermique du titane protège plus longtemps les éléments internes d'une élévation de température.

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 par conséquent 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 localisé 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 surtout d'oxyde TiO2, mais il s'est vu consacré qu'elle peut contenir d'autres variétés. Cette couche est intègre et particulièrement adhérente. En cas de rayure de la surface, l'oxyde se reconstitue spontanément en présence d'air ou d'eau. Il y a par conséquent inaltérabilité du titane dans l'air, l'eau et l'eau de mer. Qui plus est , cette couche est stable sur une large gamme de pH, de potentiel et de température.

Des conditions particulièrement réductrices, ou des environnements particulièrement 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 fréquemment 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 est parfois utilisé dans des procédés industriels et des environnements où les matériaux conventionnels se corroderaient.

On peut évidemment modifier les équilibres électrochimiques par adjonction d'éléments d'addition qui diminuent l'activité anodique du titane ; cela conduit à perfectionner 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 :

Ces trois méthodes peuvent être combinées.

Corrosion spécifique du titane

Le titane est particulièrement peu sensible aux modes spécifiques 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 :

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

lingot de titane cristallisé, pur à 99, 995%

Le procédé Van-Arkel-de-Bœr

Article principal : procédé Van-Arkel-de-Bœr.

Le procédé Kroll et l'obtention du titane haute pureté

Le procédé Kroll

La première étape consiste à opérer une carbochloration sur le dioxyde de titane. Le produit est obtenu par action du chlore gazeux sur l'oxyde vers 800 °C, le tout sur lit fluidisé selon la réaction :

TiO2 (s) + 2 C (s) + 2 Cl2 (g) → TiCl4 (g) + 2 CO (g)

Le tétrachlorure de titane, dont la température d'ébullition est de 136 °C, est récupéré par condensation, décanté, filtré et purifié par distillation fractionnée. Le procédé de réduction qui s'ensuit consiste alors à faire réagir ce tétrachlorure en phase gazeuse sur du magnésium liquide selon la réaction :

TiCl4 (g) + 2 Mg (l) → 2MgCl 2 (l) + Ti (s)

La réaction est réalisée sous vide ou sous gaz inerte (argon). Le chlorure de magnésium est scindé par décantation, puis, dans une seconde étape, par distillation sous vide vers 900 à 950 °C, ou par lavage à l'acide. Le titane obtenu est un solide poreux faisant penser à une éponge, d'où son nom d'éponge de titane.

Depuis le début de sa mise en exploitation industrielle en 1945, le procédé Kroll n'a pas subi d'évolution notable dans son principe physico-chimique, si ce n'est dans le rendement de la réaction.

Élaboration du titane haute pureté

Une fois l'éponge obtenue, on la broie afin d'obtenir des copeaux de titane. Ce lot est ensuite homogénéisé dans un mélangeur soit sous gaz neutre soit sous aspiration violente, de façon à prévenir toute inflammation des fines de titane (particules d'une centaine de micromètre) pouvant conduire à la formation d'oxynitrure de titane fragilisant et insoluble dans le bain liquide. Le lot homogène est ensuite introduit dans la matrice d'une presse où il est comprimé à froid, sous forme de cylindre dense nommé compact. La densité relative du compact autorise alors toute manutention en vue de former une électrode par empilement de ces compacts, étage par étage, et soudage entre eux par plasma ou faisceau d'électrons. On produit ainsi une électrode primaire.

Le lingot de titane pur à 99, 9% peut finalement être obtenu par différentes techniques de fusion :

  1. la fusion sous vide par électrode consommable ou VAR (Vacuum Arc Reduction)  : les électrodes de titane sont fusionnées par refusion à l'arc sous vide. Cela revient à créer un arc électrique de faible voltage et haute intensité (30 à 40 V ; 20000 à 40000 A) entre le bas de l'électrode de titane et un creuset en cuivre refroidi par eau. Le bas de l'électrode s'échauffe et sa température passe au-delà du liquidus ; les gouttelettes de métal tombent alors dans un puits liquide contenu dans une gaine de métal qu'on appelle la peau du lingot. On refond ainsi le lingot plusieurs fois selon la pureté désirée. À chaque refusion, on augmente le diamètre des lingots ; ces derniers pèsent fréquemment entre 1 et 10 tonnes et ont un diamètre de 0, 5 à 1 mètre.
  2. la fusion à foyer froid par faisceau d'électron ou EB (Electron Beam)
  3. la fusion à foyer froid par faisceau plasma ou PAM (Plasma Arc Melting)
  4. la fusion par induction ou ISM (Induction Skull Melting).

Pour fabriquer un lingot de titane pur, la matière fondue peut être soit exclusivement de l'éponge, soit un mélange d'éponge et de déchet de titane (scrap), soit exclusivement du déchet de titane. Les lingots d'alliage de titane sont obtenus en mélangeant à la matière titane les éléments d'addition, comme le vanadium et l'aluminium, pour obtenir après fusion l'alliage souhaité. L'alliage le plus fréquemment utilisé est le TiAl6V4. Suivant les techniques de fusion utilisées et selon les besoins en termes d'homogénéité des produits obtenus, le cycle de production peut comprendre deux, ou alors trois fusions successives du même lingot.

Les lingots sont généralement transformés par forgeage à chaud et usinage pour obtenir des demi-produits sous forme de brames, bloom ou billette. Puis on obtient des produits finis (feuilles, bobines, barres, plaques, câbles etc. ) par différentes étapes de transformation de laminage, forgeage, extrusion, usinage etc. Les pièces de fonderie sont généralement réalisées directement à partir du lingot de fusion auquel est rajoutée une proportion variable de scrap.

Composés

Bien que le titane métallique soit assez rare de par son prix, le dioxyde de titane est bon marché et beaucoup répandu comme pigment blanc pour les peintures et les plastiques. La poudre de TiO2 est chimiquement inerte, résiste à la lumière du soleil et est particulièrement opaque. Le dioxyde de titane pur possède un indice de réfraction particulièrement haut[9] (2, 70 à λ = 590 nm) et une dispersion optique plus élevée que celle du diamant.

Précautions, toxicologie

Quand il est sous forme métallique divisée le titane est particulièrement inflammable, mais on considère le plus souvent que les sels de titane sont sans danger. Les composés chlorés comme le TiCl4 et le TiCl3 sont corrosifs. Le titane peut s'accumuler dans les tissus vivants qui contiennent du silicium, mais il ne possède aucun rôle biologique connu.

Occurrence et production

On trouve du titane dans les météorites, dans le Soleil et dans les étoiles, ses raies sont bien marquées pour les étoiles de type M. Les roches rapportées de la Lune par la mission apollo 17 sont composées à 12, 1 % de TiO2. On en trouve aussi dans le charbon, les plantes et même dans le corps humain.

Sur Terre, le titane n'est pas une substance rare. Il est le 10e élément le plus abondant de la croûte terrestre, sa teneur moyenne y est de 0, 63 %, Seuls les éléments suivants le précèdent par ordre décroissant : l'oxygène, le silicium, l'aluminium, le fer, le calcium, le sodium, le potassium, le magnésium, et le (9e).
La plupart des minéraux, roches et sols contiennent de petites quantités de titane. On dénombre 87 minéraux ou roches contenant au moins 1 % de titane. Les minerais riches en titane sont par contre particulièrement peu nombreux, à savoir, l'anatase (TiO2), la brookite (TiO2), l'ilménite (Fe (TiO3) 2) et ses altérations par carence de fer : le leucoxène, la perovskite (CaTiO3), le rutile (TiO2), la sphène ou titanite (CaTiO (SiO4) ) et la titanomagnétite (Fe (Ti) Fe2O4).

La majorité du titane sur Terre se trouve sous forme d'anatase ou de titanomagnétite, mais ces derniers ne peuvent être exploités avec les technologies actuelles de manière rentable. Seuls l'ilménite, le leucoxène et le rutile sont intéressants économiquement, compte tenu de la facilité avec laquelle ils peuvent être traités.

On trouve des gisements de titane en Australie, Scandinavie, Amérique du Nord, Malaisie, la Russie, Chine, Afrique du Sud et Inde.

La réserve mondiale totale, à savoir celle qui n'est pas encore technologiquement et économiquement exploitable, est estimée à 2 milliards de tonnes. Les réserves prouvées de rutile et d'ilménite, calculées en pourcentage de TiO2 utilisable et technologiquement extractible en 2005, sont estimées à 600 millions de tonnes.

Répartition des réserves exploitables d'oxyde de titane en 2005.

Source : U. S. Geological Survey, January 2005

Principaux producteurs d'oxyde de titane en 2003, Chiffres de 2003, en milliers de tonnes de dioxyde de titane[10] :

Pays Milliers de tonnes  % du total
Australie 1291, 0 30, 6
Afrique du Sud 850, 0 20, 1
Canada 767 18, 2
Norvège 382, 9 9, 1
Ukraine 357 8, 5
Total 5 pays 3647, 9 86, 4
Total monde 4221, 0 100, 0

Enjeux économiques

Le nombre de producteurs de titane à haute pureté est particulièrement limité et est concentré dans les régions à forte demande intérieure. En effet, le titane étant un matériau stratégique pour les secteurs aéronautique, énergétique et militaire, les gouvernements des pays industrialisés ont organisé leur propre industrie de production. L'émergence récente de production en Chine et en Inde dans le cadre des plans pluriannuels de développement de l'industrie de défense, confirme cette analyse. Le fait que cette industrie soit destinée en premier lieu à satisfaire des besoins intérieurs stratégiques explique en partie le flou de l'information sur les capacités réelles de production.

Le développement de l'industrie dans le monde libéral a permis aux producteurs occidentaux d'accroître leur offre jusqu'à l'arrivée des producteurs des pays de l'ex-URSS. On considère généralement que le niveau des prix du marché, avant 1990, était essentiellement basé sur les coûts de production des pays occidentaux (États-Unis, Europe de l'ouest , Japon) et sur le positionnement par spécialisation de produit de ces fournisseurs aboutissant à un certain lobbying. L'arrivée sur le marché des producteurs russe, ukrainien et , à plus long terme, chinois marque de nouvelles étapes dans l'évolution du marché du titane. Ainsi, une pression sur les prix s'exerce pour gagner des parts sur le marché aujourd'hui dominé par les États-Unis et le Japon. Cette pression se définit par une baisse des prix que les coûts de production rendent envisageable. Et, par le jeu de la concurrence, la diversification de l'offre peut contribuer à briser le positionnement par spécialisation de produit.

Évolution du prix du titane sur le marché mondial

Utilisations

Montre en titane.

Aspects généraux

La plus grande utilisation du titane (95%) est faite sous sa forme de dioxyde de titane TiO2 (anatase), qui est un pigment important utilisé à la fois dans les peintures domestiques et les pigments des artistes, les matières plastiques, le papier, les médicaments… Il a un bon pouvoir couvrant et est assez résistant au temps. Les peintures à base de titane sont de très bons réflecteurs des infrarouges, et sont par conséquent particulièrement utilisées par les astronomes.

Jadis connu cher à cause de sa valeur d'achat, le titane est de plus en plus reconnu comme économique dans les coûts d'exploitation. La clé du succès pour sa rentabilité est d'utiliser au maximum ses propriétés et caractéristiques uniques dès la conception, plutôt que de les substituer ex abrupto à un autre métal. Les coûts d'installation et d'exploitation des tubes de forage en titane dans des exploitations pétrolières offshore sont entre 50 et 200 % plus bas qu'avec la référence acier. En effet, d'une part, la résistance à la corrosion évite les opérations de revêtement des tubes et permet des durées de vie trois à cinq fois supérieures à l'acier et d'autre part, la valeur élevée de sa résistance spécifique sert à réaliser des tubes fins et ultralégers. Cet exemple montre quoique le titane, originellement employé dans le domaine aéronautique touche de plus en plus de secteurs.

Industries aéronautiques et aérospatiales

Les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatiale forment la première des applications historiques du titane. Dans ce secteur on utilise complètement ses caractéristiques spécifiques.

Actuellement, le titane forme 6 à 9% de la masse des avions. On en trouve dans un premier temps sous forme de pièces forgées, dont la plus impressionnante est le train d'atterrissage du Bœing 777, mais également sous forme de boulons. Il ne faut pas oublier les éléments de moteurs, à savoir les étages basses et hautes pression à moyennes températures : disques de compresseurs, aubes de compresseurs, carters structuraux, carter Fan, aubes Fan etc.  ; la température maximale d'utilisation étant limitée à 600 °C.

Le titane peut se former à chaud (température < 800 °C). Ses caractéristiques de superplasticité (température de formage 920 °C) permettent d'obtenir des formes très complexes. Il est également utilisé comme élément de structure en présence de composites carbone.

Dans le domaine de l'espace, il est utilisé pour les éléments du moteur Vulcain d'Ariane 5 en contact avec le mélange H2 / O2 et sa combustion ; les rouets centrifuges sont ainsi soumis à des températures cryogéniques d'un côté (température H2 liquide) ainsi qu'à celles de la combustion de l'autre. Il sert aussi de réservoir aux gaz de propulsion pour les satellites grâce à ses bonnes propriétés cryogéniques ainsi qu'à sa résistance à la corrosion des gaz propulseurs. Enfin, comme c'est un métal faiblement magnétique, il est embarqué sur les stations spatiales sous forme d'outil du fait qu'il peut évoluer en apesanteur près des appareillages électriques sans risque de créer un arc.

Industrie chimique

Le secteur de la chimie au sens large correspond à la seconde utilisation historique du titane.

On trouve des tubes en titane dans de nombreux condenseurs, où sa résistance à la corrosion ainsi qu'à l'abrasion permet des durées de vie élevées.

Il sert aussi sous forme de réacteurs dans les raffineries (résistance à H2S et CO2) et pour le blanchiment de la pâte à papier (résistance au Cl).

Au Japon, il est aussi utilisé dans les traitements des eaux à cause de sa résistance à la corrosion ainsi qu'aux agents biologiques.

Industrie militaire

On l'emploie comme blindage (porte-avions américains) où ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion et au feu sont mises en avant. Aux États-Unis, on a même été jusqu'à concevoir des véhicules légers, dont la carrosserie en titane possède une résistance spécifique incomparable et favorise le transport par hélicoptère.

Mais la plus spectaculaire des utilisations est évidemment la réalisation de plusieurs sous-marins nucléaires par les russes comme la classe Alfa dont la coque entière est en titane. L'avantage du titane dans ce cas est double :

Ainsi, le titane est reconnu comme l'une des huit matières premières stratégiques indispensables en temps de guerre comme en temps de paix[12].

Le défaut majeur de ces coques est leur prix, dû au titane ainsi qu'à la difficulté de le souder.

Secteur biomédical

On dispose aujourd'hui d'un retour d'expérience d'une petite trentaine d'années d'utilisation dans le domaine médical. Son emploi s'est développé à cause de son caractère biocompatible. En effet, l'os adhère spontanément au titane ce qui en fait un matériau privilégié pour la réalisation de prothèses. En plus de cet aspect biocompatible, le titane est mécanocompatible. Le titane a aussi fait une percée importante dans le domaine de l'odontologie où il sert d'implant dans l'os pour les supports de prothèses mais aussi pour la confection d'infrastructures prothétiques nommées chapes ou "armatures" dans le jargon du chirurgien dentiste. Le NiTi est aussi utilisé en orthodontie où ses propriétés super-élastiques en font un matériaux de choix pour la fabrication des arcs qui permettent de corriger la position des dents.

Cependant, des études récentes mettent un bémol à la biocompatibilité du titane qu'on pensait jusque-là totale[réf.  nécessaire]. Des études récentes font état d'une toxicité cellulaire du titane responsable occasionnellement d'une ostéolyse aseptique conduisant à la perte de la prothèse orthopédique. En bouche, le titane réagit au contact de la salive, surtout lorsque d'autres métaux (alliages, amalgames) cœxistent. En outre une part faible de la population (4%) y serait allergique.

Il faut enfin signaler la naissance d'outillage en titane pour la chirurgie, comme les forets creux refroidis à l'eau. À l'inverse de l'acier, tout débris d'outil en titane pouvant rester dans le corps n'occasionnera pas d'infection postopératoire, du fait de sa biocompatibilité.

Enfin, le titane rentre dans la composition des bobines supraconductrices des appareils IRM en association avec un autre métal de transition : le niobium.

Industrie énergétique

Le titane est aussi utilisé, surtout aux États-Unis, dans les circuits secondaires de réacteurs nucléaires pour minimiser le nombre d'arrêts de tranches qui sont extrêmement coûteux. Il faut aussi noter son utilisation dans la géothermie sous forme de canalisations et de carters et dans les échangeurs de chaleurs (tubes droits ou en U), toujours pour sa tenue à la corrosion et sa résistance à l'érosion. Enfin grâce à sa résistance spécifique élevée, on en utilise dans les turbines génératrices de vapeur sous forme d'aubes ; dans ce cas, on réduit fortement les arrêts de centrale dus aux ruptures d'aubes.

Industrie automobile

Un nouveau secteur d'application semble bien être la construction automobile. C'est en particulier les marques allemandes, japonaises et américaines qui introduisent des pièces de titane dans les voitures de tourisme. Ce qui est recherché est l'allègement des structures visant à diminuer à la fois les émanations du moteur et le bruit ; on trouve ainsi des soupapes, des ressorts et des bielles en titane. Le cas des ressorts est typique d'une bonne utilisation des propriétés du titane : comme son module de Young est deux fois plus faible que celui de l'acier, il faut deux fois moins de spires ; comme il est deux fois moins dense que l'acier, le ressort est quatre fois plus léger, et il faut deux fois moins de place pour le loger dans la suspension. Si on ajoute à cela qu'il a une durée de vie quasi infinie, même sur les routes à haut degré de salinité, on comprend l'intérêt de l'industrie automobile.

Autres utilisations

Symbolique

Le titane est le 11e niveau dans la progression de la Sarbacane sportive.

Références bibliographiques utiles

Encyclopédies généralistes

Ouvrages spécialisés

Articles et études

Notes et références

  1. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd. , Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)  
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, «Covalent radii revisited», dans Dalton Transactions, 2008, p.  2832 - 2838 lien DOI ] 
  4. (en) «Titanium» sur NIST/WebBook, consulté le 28 juin 2010
  5. (en) Thomas R. Dulski, A manual for the chemical analysis of metals, vol.  25, ASTM International, 1996, 251 p. (ISBN 0803120664) [lire en ligne], p.  71 
  6. Merck Index, 13th Edition, 9547.
  7. Cours sur les propriétés mécaniques de l'os
  8. http ://monographs. iarc. fr/ENG/Meetings/93-titaniumdioxide. pdf International Agency for Research on Cancer : Titanium dioxide (IARC Group 2B), Summary of reported data, Feb. 2006]
  9. Description de l'oxyde de titane sur SFC. fr
  10. L'état du monde 2005, annuaire économique géopolique mondial
  11. Enjeux de la composante sous-marine par l'amiral Thierry d'Arbonneau, ancien commandant des Forces océaniques stratégiques
  12. Avec le germanium (électronique avancée)  ; magnésium (explosifs)  ; platine (contacts aussi conducteurs que l'or pour l'aviation, circuits avec contacts rapides)  ; mercure (chimie nucléaire, instruments de mesure)  ; molybdène (acier)  ; cobalt (chimie nucléaire)  ; colombium (alliages spéciaux extrêmement rares). (Christine Ockrent, comte de Marenches, Dans le secret des princes, éd. Stock, 1986, p; 193. )
  13. Exemple de coloration du titane par anodisation

Voir aussi

Liens externes


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1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés

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