Une nouvelle ère pour le titane

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Parmi les métaux, la solidité et la légèreté du titane, sa résistance à la corrosion et sa capacité à résister à des températures extrêmes distinguent depuis longtemps sa valeur, en particulier pour les applications sensibles au poids et à l'environnement. Lorsqu'il a été décrit pour la première fois à la fin du XVIIIe siècle, un co-découvreur a donné à ce métal le nom des Titans, dieux nés de la Terre et du ciel dans la mythologie grecque antique.

Le temps n’a fait que polir l’éclat du titane. « Je suis un scientifique des matériaux et les gens me demandent parfois : quel est votre élément préféré ? », explique Andrew Minor, professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Pour les bâtiments, les avions, les missiles, les vaisseaux spatiaux et bien plus encore, dit-il, « si vous voulez le matériau le plus résistant pour le moins de poids, c'est le titane. Si nous le pouvions, nous fabriquerions tout en titane.

En effet, pour les concepteurs industriels, la perspective de voitures, de camions et d’avions solides, légers et très économes en carburant, par exemple, ou de cargos extrêmement résistants à la corrosion, le titane doit faire rêver.

Le problème? «C'est trop cher», dit Minor à propos du titane ou des alliages de titane de qualité industrielle qui pourraient autrement remplacer l'acier alors que seuls les matériaux les plus solides et les plus durables suffisent. En fait, le coût de fabrication du titane est environ six fois supérieur à celui de l’acier inoxydable. En conséquence, ses utilisations sont restées limitées aux pièces spécialisées pour l’aérospatiale, aux articles haut de gamme comme les bijoux ou à d’autres applications de niche.

De plus, le titane pur n'a qu'une résistance modérée, explique Minor. Il peut être renforcé avec des éléments comme l’oxygène, l’aluminium, le molybdène, le vanadium et le zirconium ; cependant, cela se fait souvent au détriment de la ductilité, c'est-à-dire la capacité d'un métal à être étiré ou déformé sans se fracturer.

Aujourd'hui, après une décennie de recherche, une nouvelle ère pour le titane, comprenant des applications d'ingénierie considérablement élargies, pourrait approcher, grâce à Minor et à ses collègues de Berkeley, dont Mark Asta, Daryl Chrzan et JW Morris Jr., également professeurs au Département de Science et ingénierie des matériaux. Ils ont sondé et poussé le titane de diverses manières dans l'espoir d'étendre son utilisation pratique à diverses applications structurelles ou techniques.

Dans une série d'études, les chercheurs ont développé de nouvelles connaissances essentielles sur le titane, notamment des recettes permettant de fabriquer de meilleurs alliages de titane ainsi qu'une technique de cryo-forgeage pour fabriquer du titane de qualité industrielle - des avancées qui pourraient à terme conduire à une production plus rentable et plus durable. fabrication.

Un dessin schématique du processus cryo-mécanique qui aboutit à du titane nanojumelé. (Illustration par Andrew Minor)

Il est important de comprendre que le coût du titane n’est pas dû à sa rareté. Le titane n'est pas un métal précieux ; on le trouve plutôt presque partout dans le monde, dans les roches ignées proches de la surface. C'est le neuvième élément le plus abondant sur Terre et le quatrième métal le plus abondant, et il peut être utilisé pour fabriquer des objets à la fois sous sa forme pure ou sous forme d'alliage.

Au lieu de cela, ce qui explique le coût excessif du titane de qualité commerciale, explique Minor, est le processus complexe Kroll le plus souvent utilisé pour fabriquer des barres, des lingots et d'autres formes de métal en titane qui peuvent être transformés en pièces utilisables et autres produits. Le processus implique l’utilisation de matériaux coûteux comme l’argon gazeux, et il est gourmand en énergie, nécessitant plusieurs fusions à des températures extrêmement élevées, notamment pour contrôler les impuretés d’oxygène.

En effet, le titane et l’oxygène entretiennent une relation déroutante, que Minor, Asta, Chrzan, Morris et leurs collègues ont voulu mieux comprendre. L’équipe savait qu’une impureté d’oxygène est souvent utilisée dans les alliages de titane pour exploiter un puissant effet fortifiant. Le titane fabriqué avec une infime augmentation de la quantité d’oxygène atomique peut donner un métal dont la résistance est plusieurs fois supérieure.