Préparation et application de la poudre de titane

Demande croissante de poudre de titane

Avec les progrès constants de la technologie industrielle, la demande de poudre de titane n'a cessé d'augmenter. Le titane et ses alliages sont réputés pour leurs excellentes propriétés, notamment leur faible densité, leur résistance spécifique élevée, leur bonne résistance à la chaleur et à la corrosion. Ces matériaux sont largement utilisés dans des industries telles que l'aérospatiale, la construction navale, l'ingénierie chimique, la fabrication de machines et les alliages durs.

Cependant, les procédés traditionnels de métallurgie du titane présentent des inconvénients tels que des cycles de traitement longs, une consommation d'énergie élevée et de faibles taux d'utilisation des matériaux. Ces problèmes entraînent des coûts de production plus élevés pour les alliages de titane, ce qui limite leur application à plus grande échelle. Ces coûts élevés ne font pas qu'alourdir la charge des entreprises manufacturières, ils entravent également la promotion des matériaux en titane dans les petites et moyennes entreprises et les industries émergentes. Par conséquent, la réduction des coûts de production du titane et de ses alliages est devenue une voie essentielle pour étendre leurs applications.

Dans ce contexte, la technologie de la métallurgie des poudres est progressivement devenue un axe de développement important dans l'industrie de la métallurgie du titane. La métallurgie des poudres permet d'obtenir une forme presque nette en façonnant et en frittant des poudres métalliques, ce qui réduit considérablement les déchets de matériaux et améliore l'utilisation des ressources. En outre, les procédés de métallurgie des poudres utilisent moins d'énergie et sont plus efficaces sur le plan énergétique. Ils sont également respectueux de l'environnement. Ces procédés permettent de fabriquer des formes complexes avec une grande précision. Cela permet de raccourcir les cycles de production et d'augmenter l'efficacité de la production. Par conséquent, la métallurgie des poudres permet de réduire efficacement les coûts des alliages de titane. Elle favorise également l'utilisation de la poudre de titane dans un plus grand nombre de domaines.

Préparation de la poudre de titane

La qualité et le coût de la poudre de titane sont extrêmement importants pour la qualité des produits issus de la métallurgie des poudres. La méthode de préparation affecte directement la qualité de la poudre. Actuellement, les principales méthodes de préparation de la poudre de titane sphérique comprennent l'atomisation, la sphéroïdisation par plasma à radiofréquence et le processus d'électrode rotative à plasma. Les principales méthodes de préparation de la poudre de titane non sphérique sont l'hydrogénation-déshydrogénation et les méthodes de réduction.

Comment préparer la poudre de titane sphérique ?

1. Méthode d'atomisation

La méthode d'atomisation est la méthode la plus largement utilisée pour préparer la poudre de titane sphérique, tant au niveau national qu'international, et comprend principalement l'atomisation au gaz et l'atomisation au plasma.

L'atomisation au gaz implique l'utilisation d'un flux d'air à grande vitesse pour frapper et briser le métal en fusion, qui est ensuite rapidement refroidi pour obtenir de la poudre de métal. C'est actuellement la méthode la plus courante pour produire de la poudre de titane sphérique. La poudre de titane produite par la technologie d'atomisation gazeuse a une faible teneur en impuretés et en oxygène, ce qui la rend adaptée à la fabrication additive.

L'atomisation par plasma consiste à placer du titane ou un alliage de titane en forme de fil sous un fluide d'atomisation par plasma, où le matériau est fondu et atomisé simultanément. Les gouttelettes de métal forment des particules sphériques sous l'action de la tension superficielle.

Fig. 1. Microstructure des poudres de titane sphériques préparées par la méthode d'atomisation

2. Méthode de sphéroïdisation par plasma à radiofréquence

La technologie de sphéroïdisation par plasma à radiofréquence utilise le plasma pour modifier la forme d'une poudre de forme irrégulière afin de préparer une poudre sphérique. En utilisant du TiH2 de forme irrégulière comme matière première, le traitement de sphéroïdisation par plasma à radiofréquence est appliqué pour produire une fine poudre de titane sphérique. Les grosses particules de TiH2 subissent une explosion d'hydrogène, une déshydrogénation et une sphéroïdisation dans la région du plasma. En ajustant le taux d'alimentation et le débit du gaz porteur, le taux de sphéroïdisation peut atteindre 100 %, le rendement de la poudre fine peut dépasser 80 %, et il n'y a pas de poudres creuses ou de billes satellites, ce qui réduit considérablement le prix de la poudre de titane sphérique.

Fig. 2. Diagramme illustrant le processus de sphéroïdisation par plasma à radiofréquence utilisé pour produire une poudre ultra-pure à partir de morceaux de matériau de forme irrégulière[1].

3. Procédé d'électrodes rotatives à plasma

La poudre de titane produite par le procédé d'électrodes rotatives à plasma présente une surface lisse, est relativement dense, a une bonne fluidité et une distribution étroite de la taille des particules. La taille des particules de la poudre peut être ajustée par la vitesse de rotation de l'électrode.

Comparée à la poudre produite par atomisation de gaz, la poudre produite par le procédé d'électrode rotative ne présente pas les phases associées communes que l'on trouve dans la poudre de titane sphérique atomisée, et la taille des particules est plus uniforme. Cependant, le coût de la poudre de titane produite par cette méthode est élevé et elle est actuellement généralement utilisée dans le domaine aérospatial.

Comment préparer la poudre de titane non sphérique ?

1. Méthode d'hydrogénation-déshydrogénation (HDH)

La méthode HDH consiste d'abord à produire des poudres d'hydrure par hydrogénation, puis à obtenir des poudres d'alliage métallique par déshydrogénation. Cette méthode est simple et les matières premières sont facilement accessibles. La poudre de titane obtenue présente une large distribution granulométrique et un faible coût, ce qui en fait la principale méthode de production de poudre de titane non sphérique.

2. Méthode de réduction thermique

La méthode de réduction thermique utilise des métaux actifs tels que le sodium, le magnésium ou le calcium pour réduire les sels de titane ou les oxydes de titane afin de produire de la poudre de titane. La méthode de réduction au magnésium produit principalement de la poudre de titane générée au cours du processus de production de titane spongieux. Toutefois, en raison de sa teneur élevée en éléments impurs, elle est rarement utilisée spécifiquement pour la production de poudre de titane. En revanche, la réduction au sodium produit une poudre de titane d'une grande pureté, avec notamment de faibles niveaux d'impuretés d'oxygène, d'azote, de fer et de carbone, ainsi qu'une bonne fluidité. Elle est considérée comme l'une des méthodes prometteuses pour la production de poudre de titane.

Résumé : technologie de préparation des poudres de titane

Les principales méthodes de préparation de la poudre de titane sphérique comprennent la méthode d'atomisation, la méthode de l'électrode rotative à plasma et la méthode de sphéroïdisation par plasma RF. Les poudres qui en résultent présentent des tailles de particules uniformes et de faibles surfaces spécifiques, mais ont de moins bonnes performances de frittage. Les technologies de mise en forme comprennent la fabrication additive et le moulage par injection. Les poudres de titane produites par la méthode d'hydrogénation-déshydrogénation et la méthode de réduction ne sont pas sphériques, avec des teneurs en éléments impurs plus élevées. La technologie de mise en forme est généralement le pressage isostatique à froid, avec un équipement simple et des coûts de production faibles.

Applications de la poudre de titane

Le développement rapide de la technologie d'impression 3D a ouvert de nouvelles voies pour l'application du titane et des poudres d'alliage de titane. Dans des domaines tels que l'aérospatiale, les dispositifs médicaux et l'automobile, la poudre de titane est largement utilisée pour fabriquer des composants complexes, très résistants et légers.

1. Aérospatiale

Le titane métallique, avec ses caractéristiques de légèreté et de résistance élevée, est devenu un matériau idéal pour l'industrie aérospatiale. La demande mondiale d'avions commerciaux, d'avions militaires et d'engins spatiaux augmentant, la dépendance des fabricants de l'aérospatiale à l'égard des matériaux de haute performance ne cesse de croître. La poudre métallique de titane, en tant que matière première pour la fabrication de composants critiques tels que les pièces structurelles des avions, les pièces de moteur et les aubes de turbine, connaît naturellement une augmentation significative de la demande.

2. Dispositifs médicaux

La biocompatibilité du titane métallique lui confère un avantage unique dans le domaine des implants médicaux. Avec le vieillissement de la population mondiale et l'augmentation des besoins médicaux, l'application de la poudre de métal de titane dans les produits médicaux tels que les implants orthopédiques, les implants dentaires et les stents cardiovasculaires est en constante expansion.

3. Fabrication automobile

Pour améliorer le rendement énergétique et réduire les émissions, l'industrie automobile recherche activement des solutions légères. La poudre métallique de titane, en tant que matière première pour la fabrication de composants automobiles de haute performance, fait l'objet d'une demande croissante. Son application est particulièrement répandue dans les secteurs de la course automobile et de l'automobile haut de gamme.

4. Appareils électroniques

Grâce à la technologie de fabrication additive, la poudre d'alliage de titane peut produire des composants microstructurés complexes qui répondent aux exigences de précision et de haute performance des appareils électroniques modernes. Par exemple, Apple prévoit d'utiliser des corps et des charnières en alliage de titane pour ses iPhones pliables afin de garantir leur durabilité et leur légèreté. L'utilisation de l'impression 3D pour la production de téléphones permet des conceptions creuses, réduisant encore le poids du châssis sans compromettre la résistance structurelle, tout en améliorant les performances de dissipation de la chaleur.

Stanford Advanced Materials s'est engagé à fournir à ses clients une variété de poudres de métaux et d'alliages, y compris différents types de poudres à base de titane. Vous pouvez obtenir des informations détaillées sur le produit ici : Poudre à base de titane.