Iso	AN	Période	MD	Ed	PD
Iso	AN	Période	MD	MeV	PD
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

Propriétés physiques du corps simple

État ordinaire

Solide

Allotrope à l'état standard

Titane α (hexagonal compact)

Autres allotropes

Titane β (cubique centré)

Masse volumique

4,51 g·cm^-3

Système cristallin

Hexagonal compact

Dureté (Mohs)

Couleur

Blanc argenté

Point de fusion

1 668 °C

Point d’ébullition

3 287 °C

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

Chaleur massique

520 J·kg^-1·K^-1

équation : $C_{P}=(22.61942)+(18.98795)\times 10^{-3}T+(-18.18735)\times 10^{-6}T^{2}+(7.080792)\times 10^{-9}T^{3}+{\frac {(-0.143457)\times 10^{6}}{T^{2}}}$
Capacité thermique du solide (phase α) en J·mol^-1·K^-1 et température en kelvins, de 298 à 700 K.
Valeurs calculées :
25,24 J·mol^-1·K^-1 à 25 °C.

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
298	24,85	25,23	0,5272
324,8	51,65	25,75	0,538
338,2	65,05	25,98	0,5428
351,6	78,45	26,19	0,5472
365	91,85	26,39	0,5514
378,4	105,25	26,58	0,5553
391,8	118,65	26,76	0,559
405,2	132,05	26,92	0,5625
418,6	145,45	27,08	0,5658
432	158,85	27,23	0,5689
445,4	172,25	27,37	0,5718
458,8	185,65	27,51	0,5746
472,2	199,05	27,63	0,5773
485,6	212,45	27,75	0,5798
499	225,85	27,87	0,5822

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
299,68	26,53	25,27	0,5279
299,58	26,43	25,27	0,5279
299,49	26,34	25,27	0,5278
552,6	279,45	28,28	0,5909
566	292,85	28,38	0,5928
579,4	306,25	28,47	0,5947
592,8	319,65	28,55	0,5965
606,2	333,05	28,63	0,5982
619,6	346,45	28,71	0,5998
633	359,85	28,79	0,6014
646,4	373,25	28,86	0,603
659,8	386,65	28,93	0,6045
673,2	400,05	29	0,6059
686,6	413,45	29,07	0,6073
700	426,85	29,14	0,6087

équation : $C_{P}=(44.37174)+(-44.09225)\times 10^{-3}T+(31.70602)\times 10^{-6}T^{2}+(0.052209)\times 10^{-9}T^{3}+{\frac {(0.036168)\times 10^{6}}{T^{2}}}$
Capacité thermique du solide (phase α) en J·mol^-1·K^-1 et température en kelvins, de 700 à 1 700 K.
Valeurs calculées :

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
700	426,85	29,13	0,6087
766,67	493,52	29,29	0,6119
800	526,85	29,47	0,6157
833,33	560,18	29,73	0,6211
866,67	593,52	30,06	0,6279
900	626,85	30,45	0,6362
933,33	660,18	30,92	0,646
966,67	693,52	31,46	0,6573
1 000	726,85	32,07	0,6701
1 033,33	760,18	32,76	0,6843
1 066,67	793,52	33,51	0,7001
1 100	826,85	34,33	0,7173
1 133,33	860,18	35,23	0,736
1 166,67	893,52	36,2	0,7562
1 200	926,85	37,23	0,7778

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
704,17	431,02	29,14	0,6087
703,92	430,77	29,14	0,6087
703,7	430,55	29,14	0,6087
1 333,33	1 060,18	42,09	0,8794
1 366,67	1 093,52	43,48	0,9084
1 400	1 126,85	44,95	0,939
1 433,33	1 160,18	46,48	0,9711
1 466,67	1 193,52	48,09	1,0046
1 500	1 226,85	49,76	1,0396
1 533,33	1 260,18	51,51	1,0761
1 566,67	1 293,52	53,33	1,1141
1 600	1 326,85	55,22	1,1536
1 633,33	1 360,18	57,18	1,1946
1 666,67	1 393,52	59,21	1,237
1 700	1 426,85	61,31	1,2809

équation : $C_{P}=(23.05660)+(5.541331)\times 10^{-3}T+(-2.055881)\times 10^{-6}T^{2}+(1.611745)\times 10^{-9}T^{3}+{\frac {(-0.056075)\times 10^{6}}{T^{2}}}$
Capacité thermique du solide (phase β) en J·mol^-1·K^-1 et température en kelvins, de 298 à 1 939 K.
Valeurs calculées :
23,94 J·mol^-1·K^-1 à 25 °C.

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
298	24,85	23,94	0,5001
407,4	134,25	24,74	0,5169
462,1	188,95	25,07	0,5238
516,8	243,65	25,38	0,5303
571,5	298,35	25,68	0,5365
626,2	353,05	25,97	0,5426
680,9	407,75	26,26	0,5487
735,6	462,45	26,56	0,5548
790,3	517,15	26,86	0,5611
845	571,85	27,16	0,5675
899,7	626,55	27,48	0,5741
954,4	681,25	27,81	0,581
1 009,1	735,95	28,16	0,5882
1 063,8	790,65	28,52	0,5957
1 118,5	845,35	28,89	0,6036

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
304,84	31,69	24	0,5013
304,44	31,29	23,99	0,5013
304,08	30,93	23,99	0,5012
1 337,3	1 064,15	30,61	0,6396
1 392	1 118,85	31,1	0,6498
1 446,7	1 173,55	31,62	0,6607
1 501,4	1 228,25	32,17	0,6721
1 556,1	1 282,95	32,75	0,6842
1 610,8	1 337,65	33,36	0,697
1 665,5	1 392,35	34,01	0,7105
1 720,2	1 447,05	34,69	0,7247
1 774,9	1 501,75	35,41	0,7397
1 829,6	1 556,45	36,17	0,7556
1 884,3	1 611,15	36,97	0,7723
1 939	1 665,85	37,81	0,7898

47,236 94 J·mol^-1·K^-1 (liquide, 1 939 à 3 630,956 °C)

équation : $C_{P}=(9.274255)+(6.092113)\times 10^{-3}T+(0.577095)\times 10^{-6}T^{2}+(-0.110364)\times 10^{-9}T^{3}+{\frac {(6.504405)\times 10^{6}}{T^{2}}}$
Capacité thermique du gaz en J·mol^-1·K^-1 et température en kelvins, de 3 630,956 à 6 000 K.
Valeurs calculées :

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
3 630,956	3 357,81	34,21	0,7148
3 788,89	3 515,74	35,09	0,7331
3 867,86	3 594,71	35,52	0,7421
3 946,83	3 673,68	35,94	0,7508
4 025,8	3 752,65	36,35	0,7595
4 104,76	3 831,61	36,76	0,7679
4 183,73	3 910,58	37,15	0,7762
4 262,7	3 989,55	37,54	0,7842
4 341,67	4 068,52	37,92	0,7921
4 420,64	4 147,49	38,28	0,7997
4 499,61	4 226,46	38,64	0,8072
4 578,57	4 305,42	38,98	0,8144
4 657,54	4 384,39	39,32	0,8214
4 736,51	4 463,36	39,64	0,8281
4 815,48	4 542,33	39,95	0,8346

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{mol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{g\times K}})$
3 640,83	3 367,68	34,27	0,7159
3 640,25	3 367,1	34,27	0,7158
3 639,73	3 366,58	34,26	0,7158
5 131,35	4 858,2	41,07	0,8579
5 210,32	4 937,17	41,31	0,8631
5 289,29	5 016,14	41,54	0,8679
5 368,25	5 095,1	41,76	0,8724
5 447,22	5 174,07	41,96	0,8767
5 526,19	5 253,04	42,15	0,8806
5 605,16	5 332,01	42,32	0,8842
5 684,13	5 410,98	42,48	0,8875
5 763,1	5 489,95	42,62	0,8904
5 842,06	5 568,91	42,75	0,893
5 921,03	5 647,88	42,85	0,8953
6 000	5 726,85	42,94	0,8972

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) coefficient de dilatation = 8,5 × 10−6 K−

Divers

N^o CAS

7440-32-6

N^o ECHA

100.028.311

N^o CE

231-142-3

Précautions

SGH

Danger

H250, P222, P231 et P422

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le titane est l'élément chimique de numéro atomique 22, de symbole Ti. La variante titanium, bien qu'attestée en français depuis 1872, est considérée comme un anglicisme incorrect.

Le titane appartient au groupe 4 du tableau périodique (groupe du titane) avec le zirconium (Zr), le hafnium (Hf) et le rutherfordium (Rf), c'est un métal de transition. On trouve cet élément dans de nombreux minerais mais ses principales sources sont le rutile et l'anatase.

Le corps pur titane est un métal léger, résistant, d'aspect blanc métallique, qui résiste à la corrosion. Il est principalement utilisé dans les alliages légers et résistants, et son oxyde est utilisé comme pigment blanc. 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, fatigue, etc.) qui permettent notamment de façonner des pièces fines et légères comme les articles de sport, mais aussi des prothèses orthopédiques.

Histoire

Le titane a été découvert par le révérend William Gregor en 1791, 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 (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 nomma cet oxyde menachanite. Indépendamment de cette découverte, en 1795, Martin Heinrich Klaproth, professeur de chimie analytique à l'université de Berlin, identifia le même métal. 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 », tiré de la mythologie grecque, d'après les Titans, en ignorant totalement ses propriétés physico-chimiques. C'est Berzelius qui l'isola en 1825.

Il a fallu attendre plus d'un siècle après la découverte de Gregor pour que l'Américain Matthew Albert Hunter, 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 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 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’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 très inférieure à celle du fer (3 × 10⁵). C'est donc un matériau avantageux en cas de diagnostic 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 longitudinal se situe entre 100 000 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 = 0,295 nm, c = 0,468 nm, c/a = 1,587) et est appelée Ti α (groupe d'espace n^o 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 %. 21 radioisotopes ont été observés, le plus stable le ⁴⁴Ti possède une demi-vie de 63 ans.

Oxydes

Le titane peut se trouver sous plusieurs états d'oxydation comme de nombreux métaux de transition. Il possède 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)

Propriétés mécaniques

Érosion

La couche d’oxyde très adhérente et dure explique la longévité de pièces en titane soumises aux chocs de particules en suspension dans les fluides. Cet effet est amplifié 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 considéré comme un métal ayant une résistance mécanique importante et une bonne ductilité dans les conditions normales de température. Sa résistance spécifique (rapport résistance à la traction / densité) 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.

Usure et grippage

Jusqu’à ce jour, aucune solution satisfaisante n’a encore été mise au point. On a essayé principalement 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 généralement un effet néfaste plus ou moins prononcé sur la résistance et la fatigue.

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) que l'acier inox (220 000 MPa). Cette élasticité qui favorise le remodelage osseux en obligeant l'os à travailler (prévention du stress shielding ou ostéoporose péri-implantaire) fait du titane un bio-matériau particulièrement intéressant. Il faut cependant noter qu'une élasticité excessive peut aussi compromettre la fonction du bio-matériau qui aurait subi une déformation inacceptable.

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’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 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.

Purification du titane

Le procédé Van-Arkel-de-Boer

Ce procédé sert à isoler le titane ou le zirconium par formation réversible d'iodure volatil et dépôt du métal par pyrolyse sur un filament de tungstène.

Le procédé Kroll

Ce procédé permet de réduire l'oxyde de titane en titane par du magnésium. 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 :

TiO_2(s) + 2 C_(s) + 2 Cl_2(g) → TiCl_4(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 :

TiCl_{4 (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 séparé 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 mais son rendement a été amélioré.

Le procédé de Hunter

Le procédé de Hunter (en) est similaire au procédé de Kroll à la différence près que le magnésium est remplacé par du sodium dans la réduction du tétrachlorure de titane.

L'éponge de titane est ensuite broyée avant d'être utilisé en granules de 1 à 50mm.

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 manière à prévenir toute inflammation des particules fines de titane (particules d’une centaine de micromètres) 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 appelé compact. La densité relative du compact autorise alors toute manutention en vue de constituer une électrode par empilement de ces compacts, étage par étage, et soudage entre eux par plasma ou faisceau d’électrons. On fabrique ainsi une électrode primaire.

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

la fusion sous vide par électrode consommable ou VAR (Vacuum Arc Reduction (en)) : les électrodes de titane sont fusionnées par refusion à l’arc sous vide. Cela revient à créer un arc électrique de faible tension et haute intensité (30 à 40 V ; 20 000 à 40 000 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 que l’on nomme 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 couramment entre 1 et 10 tonnes et ont un diamètre de 0,5 à 1 mètre.
la fusion à foyer froid par faisceau d’électron ou EB (Electron Beam)
la fusion à foyer froid par faisceau plasma ou PAM (Plasma Arc Melting)
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 couramment utilisé est le TiAl₆V₄. Il représente à lui seul plus de la moitié de l'utilisation d'alliages de titane dans le monde .

En fonction des techniques de fusion utilisées et selon les besoins en termes d’homogénéité des produits obtenus, le cycle de production peut comprendre deux, voire trois fusions successives du même lingot.

Les lingots sont en général 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 en général 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 à cause de son prix, le dioxyde de titane est bon marché et largement 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 très opaque. Le dioxyde de titane pur possède un indice de réfraction très élevé (2,70 à λ = 590 nm) et une dispersion optique plus élevée que celle du diamant.

Précautions, toxicologie

Lorsqu'il est sous forme métallique divisée le titane est très inflammable, mais on considère généralement 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 également dans le charbon, les plantes et même dans le corps humain.

Sur Terre, le titane n’est pas une substance rare. Il est le neuvième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, et le cinquième métal le plus abondant, sa teneur moyenne y est de 0,63 %. Seuls les éléments suivants y ont plus d'atomes, par ordre décroissant : l’oxygène, le silicium, l’aluminium, le fer, l'hydrogène, le calcium, le sodium, le magnésium et le potassium.

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 très peu nombreux, à savoir, l’anatase (TiO₂), la brookite (TiO₂), l’ilménite (FeTiO₃) 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, étant donné la facilité avec laquelle ils peuvent être traités.

On trouve des gisements de titane à Madagascar et en Australie, Scandinavie, Amérique du Nord, Malaisie, 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, janvier 2005

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

Pays	Milliers de tonnes	% du total
Australie	1 291,0	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	4 221,0	100,0

Enjeux économiques

Évolution du prix du titane sur le marché mondial

Le nombre de producteurs de titane à haute pureté est très 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 peut considérer que le niveau des prix du marché, avant 1990, était principalement 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 russes, ukrainiens 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 actuellement dominé par les États-Unis et le Japon. Cette pression se caractérise par une baisse des prix que les coûts de production rendent possible. Et, par le jeu de la concurrence, la diversification de l’offre peut contribuer à briser le positionnement par spécialisation de produit.

Utilisations

Pigments, additifs et revêtements

Le dioxyde de titane est la forme la plus communément utilisée du titane (95% du minerai exploité en 2017)

Environ 95 % du minerai de titane est destiné au raffinement en dioxyde de titane 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…

Certains systèmes de dépollution emploient une de ses formes en tant que photocatalyseur de réactions chimiques. Chimiquement inerte — il remplace la céruse, interdite à cause de sa toxicité, le dioxyde de titane fait partie de la formulation de cosmétiques, de médicaments et d'aliments. L'Autorité européenne de sécurité des aliments ne le considère plus comme « sûr en tant qu'additif alimentaire » depuis 2021, parce qu'il intervient comme catalyseur dans des réactions chimiques. Il sert comme filtre ultraviolet dans des crèmes solaires sous sa forme nanoparticulaire, soupçonnée d'être écotoxique.

Il résiste à la décoloration au soleil, il est très opaque, a un bon pouvoir couvrant et est assez résistant au temps. il confère une couleur blanche pure et brillante aux produits chimiques bruns ou gris qui forment la majorité des plastiques ménagers. Dans la nature, ce composé se trouve dans les minéraux anatase, brookite et rutile. La peinture fabriquée avec du dioxyde de titane résiste bien à des températures élevées et aux agressions corrosives des environnements marins. Le dioxyde de titane pur a un indice de réfraction très élevé et une dispersion optique supérieure à celle du diamant. En plus d'être un pigment très important, le dioxyde de titane est également utilisé dans les écrans solaires. Les peintures à base de titane sont de très bons réflecteurs des infrarouges, et sont donc très utilisées par les astronomes. L'usage du titane en tant que pigment présente l'inconvénient de disperser la ressource à de faibles concentrations, ce qui rend sa récupération et son recyclage quasiment inenvisageable.

Usages sous forme métalique

un. Cylindre de titane de qualité "grade 2"

Autrefois réputé cher à cause de sa valeur d’achat, le titane métallique est de plus en plus considéré comme économique dans les coûts d’exploitation. La clé du succès pour sa rentabilité réside au maximum dans l'utilisation de 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 jusqu'à deux fois 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 permet de réaliser des tubes fins et ultra légers. Cet exemple photographique montre à souhait que le titane, initialement employé dans le domaine aéronautique, touche de plus en plus de segments d'utilisation.

Industries aéronautique et aérospatiale

Des pièces en titane pour l'avion de combat McDonnell Douglas F-15 Eagle avant et après avoir été pressées par la presse à forger de 45 400 t exploitée par Alcoa construit dans le cadre du Heavy Press Program.

Les domaines de l’aéronautique et de l’aérospatiale constituent la première des applications historiques du titane. Dans ce secteur on utilise totalement ses caractéristiques spécifiques.

De nos jours, le titane constitue 6 à 9 % de la masse des avions. On en trouve tout d’abord sous forme de pièces forgées. Quant aux pièces coulées, leurs moules en céramique convenant aux pièces détaillées (aéronautique) sont obtenus par procédé de cire perdue au départ de moules en acier ou au départ de pièces imprimées en 3D. Les moules en sable comprimé conviennent aux grosses pièces (pompes, canons, industrie nucléaire...) La coulée se fait sous vide par gravité ou, bien mieux, centrifugation. Il existe des procédés d'impression 3D directs au départ de poudre de titane. On en fait aussi des écrous et boulons. Il ne faut pas oublier les éléments de moteurs, à savoir les étages basse et haute pression à moyennes températures : disques de compresseurs, aubes de compresseurs, carters structuraux, carter Fan, aubes Fan, 'torque tubes' des éléments de freinage des roues, 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 spatial, ce matériau 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) et 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 et à sa résistance à la corrosion des gaz propulseurs. Enfin, comme c’est un métal faiblement soumis au magnétisme, il est embarqué sur les stations spatiales sous forme d'outil. Ceux-là mêmes qui, en apesanteur, évoluent près des appareillages électriques, électroniques, sans risque d'être générateurs d'arcs et de perturbations électromagnétiques.

De plus, il est désormais utilisé pour fabriquer les ailettes des lanceurs réutilisables Falcon 9 de SpaceX, sa grande résistance thermique permet aux ailettes de servir plusieurs fois sans maintenance.

L'Union européenne importe chaque année environ 70 000 tonnes de titane, dont les deux tiers à destination de l'industrie aéronautique et spatiale. La Russie est la première source d'approvisionnement en titane de l'aéronautique mondiale par l’intermédiaire de l’entreprise VSMPO-AVISMA. Le géant russe détient 25 à 30 % du marché mondial. D’une manière générale, dans le secteur aéronautique, 50 % du titane est importé de Russie. La société russe est même le premier fournisseur d'Airbus comme de Safran, avec des accords à long terme.

Industrie chimique

Le secteur de la chimie, au sens large du terme, constitue le second secteur d'activité où le titane est présent.

Ainsi, on retrouve des tubes en titane dans de nombreux condenseurs, où sa résistance à la corrosion et à l’abrasion permet des durées de vie élevées.

Il sert également, 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 également utilisé dans le traitement des eaux en raison de sa bonne résistance à la corrosion, ainsi qu'aux agents biologiques.

Industrie militaire

On l’emploie comme blindage (navires, véhicules, cockpit des avions de chasse) où ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion et au feu sont mises en avant. Aux États-Unis, on est même allé jusqu’à concevoir des véhicules légers, dont la carrosserie en titane possède une résistance spécifique inégalable et facilite le transport par hélicoptère.

Mais la plus spectaculaire des utilisations est, bien sûr, 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 :

sa grande résistance permet au sous-marin d'atteindre de plus grandes profondeurs ;
le titane étant amagnétique, le sous-marin échappe aux détections satellitaires qui utilisent les changements ponctuels du champ magnétique terrestre créés par les coques en aciers. (Cette méthode est devenue obsolète à cause de l'adjonction de circuits électroniques spécialisés qui rendent imperceptible la signature magnétique d'un sous-marin).

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

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

Secteur biomédical

Plaque de titane utilisée pour la fixation d'une fracture du poignet

On dispose actuellement d’un retour d’expérience d’une petite cinquantaine d’années d’utilisation dans le domaine médical (premiers implants dentaires en titane posés en 1964 par le P^r Per-Ingvar Brånemark). Son emploi s’est développé en raison 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. Son intérêt réel pour la chirurgie et l'ostéosynthèse reste toutefois à démontrer.

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 ainsi que pour la confection d'infrastructures prothétiques appelées « chapes » ou « armatures » dans le jargon du prothésiste dentaire et du chirurgien-dentiste. Le NiTi est aussi utilisé en endodontie sous forme de petites limes super-élastiques servant à instrumenter les canaux dentaires pour les dévitalisations et en orthodontie où ses propriétés de mémoire de forme et d'élasticité en font un matériau de choix pour la fabrication des arcs qui permettent de corriger la position des dents.

Il faut signaler l’apparition 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 également utilisé, notamment aux États-Unis, dans les circuits secondaires de réacteurs nucléaires afin de 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 chaleur (tubes droits ou en U), toujours pour sa tenue à la corrosion et sa résistance à l’érosion. Enfin grâce à sa résistance spécifique mécanique 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. Ce sont surtout les marques allemandes, japonaises et américaines qui introduisent des pièces de titane dans les voitures de tourisme. Ce qui est recherché est l’allégement des structures visant à réduire 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 illimitée, même sur les routes à haut degré de salinité, on comprend l’intérêt de l’industrie automobile.

Optique

Le titane est utilisé comme dopant pour la réalisation du milieu amplificateur de lasers accordables (type laser titane-saphir). L'intérêt du titane pour un laser accordable est que c'est un métal de transition avec une couche 3d électrostatiquement peu écrantée, ce qui conduit a des amplificateurs optiques saphir dopé titane avec une courbe de gain très large, et donc une grande accordabilité en fréquence.

Dans un tout autre domaine de l'optique, le titane est utilisé depuis 1981 pour réaliser des montures de lunettes, pour lesquelles il offre une bonne combinaison en résistance, flexibilité et légèreté, tout en étant bien biocompatible.

Sports

Montre en titane.

Le titane est utilisé dans le cyclisme pour construire des cadres haut de gamme d'une légèreté égale au carbone et aussi résistants que l'acier.

Il est utilisé dans le domaine de la trottinette freestyle pour construire des pièces (plus particulièrement des guidons) plus légères et particulièrement résistantes aux chocs.

Il est utilisé en alpinisme pour construire des mousquetons, pratiques pour leurs propriétés à des températures cryogéniques.

Autres utilisations

Le dioxyde de titane est un composé employé dans les crèmes solaires comme filtre contre les ultraviolets.
Le tétrachlorure de titane est utilisé pour iriser le verre, et comme écran de fumée car il fume beaucoup au contact de l'air.
Il est utilisé en céramique dans la préparation de certains émaux.
Son côté inerte et sa couleur agréable en font un métal courant pour les bijoux de piercing ; la coloration du titane par anodisation est actuellement largement utilisée en bijouterie artisanale ;
Il est parfois utilisé comme catalyseur.
Il est utilisé en architecture comme matériau de recouvrement. Ses propriétés de résistance à la corrosion mais surtout sa faculté, par anodisation thermique, à se couvrir d’une couche d’oxyde extrêmement résistante, pouvant prendre toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, en font un matériau de choix (exemple du musée Guggenheim à Bilbao ou de la sculpture The Shoal à Londres).
Il est utilisé en pyrotechnie, soit en mélange sous forme de copeaux avec la poudre noire pour produire des étincelles blanches, soit en complément de perchlorates pour provoquer de fortes explosions : par exemple un « marron d'air titanium » n'est autre qu'une bombe de feu d'artifice qui produit un éclair blanc avec une forte détonation.
Échangeurs de chaleur pour la production d'énergie (centrales conventionnelles et nucléaires)
Utilisation dans la fabrication d'armures de type médiéval pour la pratique du combat réel dit béhourd, les caractéristiques du titane donnant un gain de résistance et de légèreté considérable face à des armures classiques en acier (armure complète en titane : environ 15 kg, contre 30 pour l'acier).

Symbolique

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

Les noces de titane correspondent au 72^e anniversaire de mariage.

Commerce

En 2014, la France est nette importatrice de titane, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 4 700 €.

Notes

Références

Voir aussi

Bibliographie

Encyclopédies généralistes

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Ouvrages spécialisés

Belov (A.F.) (dir.), Williams (J.C.) (dir.), Titanium and Titanium Alloys –Scientific and Technological Aspect, 3 volumes, New-York (United States) : Plenum Press Publishing Corporation, 1982, 2457 p.
Brunette, Tengvall, Textor, Thomsen, "Titanium in Medicine", Berlin (Deutschland), Springer, 2001, 1019 p.
Leyens (C.) & Peters (M.), Titanium and Titanium Alloys, Chichester (England) : John Wiley & Son Inc., 2002, 599 p.
Lütjering (G.) & Williams (J.C.), Titanium, Berlin (Allemagne) : Springer, 2003, 687 p.

Articles et études

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Gerdemann (S.J.), Titanium Process Technologies, in Advanced Materials & Processes ; volume. 159 ; isue 7, Material Park, Ohio (États-Unis) : American Society for Metals, juillet 2001, p. 41-43.
Louvigné (P.-F.) pour le compte de la Direction Générale de l’Aménagement, du Logement et de la Nature, Direction de l’Eau et de la Biodiversité, Sous-direction protection et gestion des ressources en eau et minérales, Étude de veille sur le marché du titane 2012-2014, Paris (France) : décembre 2014, 150 p.
Guy Pegere, Le minerai de titane dans le Brivadois: sites et inventeurs : in Almanach de Brioude 2020, Brioude, Almanach de Brioude, 2020

Liens externes

Alliages de Titane
UKAD
MKAD
SQUAD
ECOTITANIUM
METAFENSCH
Association Titane
Le titane sur Webelement de Sheffield University
(en) « Technical data for Titanium » (consulté le 12 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope

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