Fiche technique du titane Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) : propriétés, UNS et normes

Le titane Grade 23 est le Ti-6Al-4V ELI, la version à très faible teneur en éléments interstitiels de l'alliage Ti-6Al-4V. ELI signifie que la coulée est soumise à des limites d'oxygène et de fer plus strictes que Grade 5, et, dans la série ASTM B, également à une limite d'azote plus stricte. Ces éléments interstitiels rendent le Ti-6Al-4V sensible aux entailles, leur réduction procure donc une ténacité à la rupture, une tolérance aux dommages et une ductilité qui subsiste aux températures cryogéniques, en contrepartie d'une résistance à la traction minimale inférieure d'environ 7 pour cent.

Composition chimique du titane Grade 23

Grade 23 et Grade 5 appartiennent au même système d'alliage. L'aluminium et le vanadium varient à peine, ce qui change est le plafond des éléments interstitiels et du fer. Les limites ci-dessous sont les analyses de coulée du Tableau 1 d'ASTM B348, que B265, B381 et B863 reprennent, avec Grade 5 et F136 en parallèle.

Trois lignes représentent presque toute la différence technique : l'oxygène passe de 0.20 à 0.13 pour cent maximum, le fer de 0.40 à 0.25, l'azote de 0.05 à 0.03. L'oxygène est un agent de renforcement économique, mais il rigidifie la phase alpha et rend l'alliage sensible aux entailles, de sorte que chaque point retiré échange de la résistance contre de la ténacité. Le fer se concentre dans la phase bêta et favorise la ségrégation, c'est pourquoi ELI le réduit également.

Deux détails sont simplifiés dans la plupart des fiches techniques publiées pour Grade 23. La série B industrielle limite davantage l'azote que la norme relative aux implants, 0.03 contre 0.05 pour cent, de sorte que F136 n'est pas uniformément plus strict que B348. Et F136 ajoute une limite spécifique d'yttrium de 0.005 pour cent, alors que la série B ne couvre l'yttrium que dans son plafond d'éléments résiduels de 0.1 pour cent par élément, l'yttrium provenant du réfractaire du creuset constituant un sujet de propreté pour les implants.

Propriétés mécaniques du titane Grade 23

Minimums de la norme pour le matériau recuit, et non valeurs typiques. La colonne ASTM F136 s'applique aux barres et pièces forgées de 4,75 mm jusqu'à, sans inclure, 44,45 mm de section. Au-dessus de cette dimension de section, F136 passe à 825 MPa (120 ksi) de résistance à la traction, 760 MPa (110 ksi) de limite d'élasticité, 8 pour cent d'allongement et une striction de 20 ou 15 pour cent selon la plage de dimensions, de sorte qu'une commande F136 doit indiquer la dimension de section avant de fixer les valeurs d'acceptation.

Les tôles, bandes et plaques ASTM B265 présentent les mêmes minimums de 828 et 759 MPa pour Grade 23, et de 895 et 828 pour Grade 5, avec 10 pour cent d'allongement et aucune exigence de striction.

Notez la ligne de striction. B348 accepte 15 pour cent pour les barres Grade 23 à l'état recuit tout en exigeant 25 pour cent pour Grade 5, et B348 lui-même exige 25 pour cent pour Grade 23 à l'état bêta transformé ; B381 exige 25 pour cent pour les pièces forgées Grade F-23. Un plan spécifiant Grade 23 et exigeant séparément 25 pour cent de striction demande davantage que ce que garantit une barre B348, et cela doit être traité au stade de la commande, non du contrôle. B348 limite également ces propriétés aux sections longitudinales jusqu'à 76 mm d'épaisseur et 64,5 cm2 de section transversale.

Ténacité à la rupture, fatigue et ductilité à basse température

C'est pourquoi ELI existe, et aucun tableau de norme ne le montre : aucune des normes B348, B265, B381 ou F136 ne fait de la ténacité à la rupture une exigence d'acceptation. Considérez-la comme un comportement du matériau, et non comme une valeur certifiée.

ATI et Carpenter indiquent tous deux que la nuance ELI présente une tolérance aux dommages supérieure, c'est-à-dire une ténacité à la rupture et une vitesse de propagation des fissures de fatigue, ainsi que de meilleures propriétés cryogéniques. Carpenter ajoute que la ténacité augmente avec des structures alpha plus bêta lamellaires et plus grossières, de sorte que Grade 23 recuit bêta surpasse le matériau recuit en usine à composition chimique identique. ATI note que les soudures ELI surpassent les soudures de nuance standard en ductilité, résistance aux chocs et ténacité.

Les valeurs typiques publiées de ténacité à la rupture en déformation plane placent Grade 23 autour de 75 à 90 MPa·m^0.5, contre environ 55 à 75 pour Grade 5. Il s'agit de plages issues de la littérature, et non de minimums de norme : la ténacité varie selon la microstructure, la forme et l'orientation, et n'est pas certifiée sauf si elle est achetée comme exigence supplémentaire.

Carpenter publie pour Ti-6Al-4V ELI recuit des limites de fatigue axiale, à un rapport de contrainte de 0.06 à 0.1, de 400 à 700 MPa (60 à 100 ksi) pour éprouvettes lisses, et de 140 à 270 MPa (20 à 40 ksi) pour éprouvettes entaillées avec un facteur de concentration de contraintes de 3. La dispersion est importante car la fatigue à grand nombre de cycles est régie par la microstructure et l'état de surface : la finition de surface et l'absence de couche alpha déterminent autant la durée de vie en fatigue que la nuance figurant sur le certificat.

Les basses températures sont le domaine où l'argument des éléments interstitiels devient sans ambiguïté. Grade 5 perd de la ductilité à mesure que la température baisse, car l'alpha renforcé par l'oxygène résiste au glissement. Grade 23 conserve un allongement utilisable jusqu'à la température de l'hydrogène liquide : des recherches publiées sur ELI avec un oxygène proche de 0,10 pour cent rapportent une limite d'élasticité autour de 1600 MPa et un allongement à la rupture jusqu'à 12 pour cent à 20 K. Les normes relatives aux récipients cryogéniques et aux composants cryogéniques ont donc tendance à spécifier ELI plutôt que Grade 5, bien que la nuance applicable soit définie par la norme régissante et la commande, et non par une règle générale.

Propriétés physiques du titane Grade 23

Les propriétés physiques sont essentiellement inchangées par rapport à Grade 5. Données typiques publiées à température ambiante.

Plus d'informations à ce sujet : Le titane est-il magnétique ? présente les valeurs de perméabilité par nuance et explique pourquoi ASTM B265 et B348 ne les vérifient pas.

Deux de ces propriétés déterminent les décisions en atelier. La conductivité thermique proche de 6,7 W/m·K représente environ un septième de celle de l'acier au carbone, de sorte que la chaleur de coupe reste dans l'outil plutôt que dans le copeau. Le transus bêta proche de 975 C fixe la limite de recuit : si elle est dépassée, la structure équiaxe disparaît.

Quel numéro UNS s'applique à Grade 23, R56407 ou R56401 ?

Les deux sont corrects. Celui qui doit figurer sur votre certificat dépend de la norme commandée, et non des mots Grade 23. Il s'agit de l'erreur documentaire la plus fréquente lors des achats ELI, et plusieurs fiches techniques Grade 23 largement citées indiquent néanmoins R56401.

La règle est simple. Chaque spécification industrielle de la série ASTM B désigne Grade 23 comme UNS R56407. Seule ASTM F136, la spécification pour implants chirurgicaux, porte R56401, et ce numéro figure dans son titre.

Le domaine d'application publié d'ASTM B348 indique, mot pour mot, Grade 23, UNS R56407, alliage de titane, 6 pour cent d'aluminium, 4 pour cent de vanadium avec des éléments interstitiels extra-faibles, ELI. B265 et B863 utilisent un libellé identique ; B381 utilise Grade F-23, UNS R56407. ASTM F136 est intitulée Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI Alloy for Surgical Implant Applications, UNS R56401. L'International Titanium Association et ATI publient toutes deux ELI sous R56407.

Pourquoi cela importe commercialement : si votre plan indique ASTM B348 Grade 23 et que le certificat mentionne R56401, le certificat ne correspond pas à la spécification commandée, et un inspecteur à réception peut le rejeter. L'inverse se produit également, avec un matériau d'implant F136 certifié R56407 et le système qualité des dispositifs signalant une lacune de traçabilité. Les numéros ne sont pas interchangeables, car les dossiers d'acceptation diffèrent : F136 ajoute une limite d'yttrium, autorise une teneur en azote plus élevée et applique ses propres exigences produit.

Règle pour les acheteurs : indiquez d'abord la norme et laissez le UNS la suivre. Si une offre indique Grade 23 selon ASTM B348 mais mentionne R56401, le numéro F136, déterminez lequel doit figurer sur le certificat avant que la coulée soit attribuée.

Normes et formes de produits

Grade 23 est couvert dans toute la gamme de produits de l'usine. La spécification applicable est définie par la forme du produit, et le UNS la suit.

Le détail des critères d'acceptation par forme figure dans notre Guide ASTM B348 sur les barres et billettes et Guide ASTM B265 sur les tôles et plaques. Voir également barre en titane Ti-6Al-4V ELI.

Grade 23 vs Grade 5 : quand le coût supplémentaire de l'ELI vaut la peine d'être payé

Grade 5 constitue le choix par défaut approprié. Il est plus largement disponible en stock et présente une résistance à la traction minimale de 895 MPa contre 828, de sorte que, pour une pièce soumise à une charge statique et dimensionnée selon la limite d'élasticité, la nuance ELI coûte davantage et offre une résistance moindre par kilogramme.

Grade 23 justifie son surcoût lorsque le mode de défaillance est une fissure plutôt qu'un niveau de contrainte : pièces critiques vis-à-vis de la rupture où un défaut doit être toléré plutôt qu'évité, pièces soumises à la fatigue près de leur limite d'endurance, assemblages soudés où la ductilité de la soudure est déterminante, service cryogénique et matière première pour implants. Le coût provient de la filière de fusion, et non de la teneur en alliage : une limite maximale d'oxygène de 0,13 pour cent exige des matières premières sélectionnées et, dans la pratique industrielle normale, de multiples refusions à l'arc sous vide, ce qui restreint les certifications possibles pour chaque coulée.

Le choix est étudié au cas par cas dans notre comparaison du titane Grade 5 et Grade 23. Pour une demande de prix qui compare encore Grade 2, Grade 5 et les nuances résistantes à la corrosion sous forme de barre, utilisez le guide de sélection des nuances de barres en titane.

Applications

Implants chirurgicaux. Le Ti-6Al-4V ELI conforme à ASTM F136 et ISO 5832-3 est l'alliage de référence pour les implants permanents porteurs : tiges de hanche et de genou, tiges rachidiennes et vis pédiculaires, plaques de traumatologie, vis osseuses, composants dentaires. La biocompatibilité provient du film passif de dioxyde de titane qui se reforme instantanément dans l'air ou les fluides corporels, permettant à l'alliage de tolérer la composition chimique des saumures chlorurées. La fatigue constitue la seconde raison, un implant étant soumis à des charges cycliques sur des millions de cycles. Beiyu fournit des produits d'usine dans cette nuance, sous forme de barres, plaques, fils et pièces forgées, que les fabricants d'implants usinent et valident en tant que dispositifs. Nous ne fabriquons pas d'implants finis. Les détails figurent dans notre guide des normes du titane de qualité médicale et le barre ELI ASTM F136 page.

Service cryogénique. Appareils cryogéniques, équipements pour hydrogène liquide et oxygène liquide, et structures de bancs d'essai côté froid, où la conservation de la ductilité en dessous de moins 196 C est le critère de sélection.

Pièces critiques vis-à-vis de la rupture et soumises à la fatigue. Composants tolérants aux dommages pour cellules d'aéronefs et voilures tournantes, équipements sous-marins, sections d'appareils à pression, et toute pièce conçue selon une philosophie de tolérance aux dommages plutôt que de durée de vie sûre, où la contrainte admissible est déterminée par la propagation des fissures plutôt que par la limite d'élasticité.

Comment spécifier le titane Grade 23 sur une commande

La plupart des litiges dans ce domaine concernent la documentation. Une ligne de commande non ambiguë comprend :

1. Norme et nuance ensemble, par exemple ASTM B348 Grade 23, ou ASTM F136. Jamais Grade 23 seul.
2. Le numéro UNS correspondant à cette norme, R56407 pour la série B et R56401 pour F136, afin que le certificat puisse être vérifié à réception.
3. Forme, dimensions et classe de tolérance, ainsi que la condition recuit en usine ou recuit bêta lorsque la ténacité est déterminante.
4. État de surface, puisque l'élimination de la couche alpha régit la durée de vie en fatigue.
5. Toute exigence au-delà de la norme, telle qu'une striction supérieure au minimum B348, une classe ultrasonore, ou un essai de ténacité ou de fatigue, formulée comme exigence complémentaire lors de la demande.
6. Certification requise, y compris le numéro de coulée indiqué.

Beiyu Titanium fournit des produits d'usine Grade 23 conformément aux spécifications ASTM. Lorsque la documentation EN 10204 3.1 et la traçabilité par numéro de coulée ou lot sont requises, indiquez les résultats demandés et les champs de traçabilité dans la demande de prix. Envoyez le plan ou la ligne de spécification et Beiyu confirmera la nuance, la norme, la désignation UNS et le périmètre documentaire dans l'offre.

Questions fréquemment posées

Le titane Grade 23 est-il plus résistant que Grade 5 ?

Non, pas en résistance statique. Grade 5 présente le minimum spécifié le plus élevé, 895 MPa de résistance à la traction et 828 MPa de limite d'élasticité, contre 828 et 759 pour Grade 23 dans la même forme de barre recuite. Grade 23 est plus tenace, non plus résistant : il résiste mieux à l'amorçage et à la propagation des fissures, conserve sa ductilité à température cryogénique et offre de meilleures performances en fatigue et dans les soudures.

Une barre Grade 23 selon ASTM B348 peut-elle être utilisée pour fabriquer des implants ?

Pas comme substitut à ASTM F136. La composition chimique se recouvre largement, mais F136 est ce que les systèmes qualité des dispositifs médicaux et les autorités réglementaires reconnaissent pour les produits destinés aux implants, et il porte son propre numéro UNS, R56401, ainsi qu'une limite d'yttrium et ses propres exigences produit. B348 Grade 23 est industriel, et le commander pour un implant crée une lacune de traçabilité qui apparaît lors d'un audit de dispositif.

Pourquoi le titane Grade 23 coûte-t-il plus cher que Grade 5 ?

Le coût se situe dans la fusion, et non dans la teneur en éléments d'alliage. Maintenir l'oxygène à 0,13 pour cent maximum et le fer à 0,25 pour cent exige des matières premières sélectionnées et de multiples refusions à l'arc sous vide, et réduit la plage dans laquelle une coulée peut être certifiée, de sorte qu'une plus grande part de toute fusion ne peut être qualifiée. La majoration varie selon la forme, le volume et le dossier de certification.

Le titane Grade 23 contient-il du nickel ?

Non. Le nickel n'est pas un élément d'alliage dans Ti-6Al-4V ELI. La composition est du titane avec 5,5 to 6,5 pour cent d'aluminium et 3,5 to 4,5 pour cent de vanadium, plus des interstitiels et du fer contrôlés. Le nickel n'est pas ajouté intentionnellement, mais comme tout élément résiduel, il peut être présent à l'état de traces, contrôlé par la limite résiduelle de 0,1 pour cent par élément et de 0,4 pour cent au total. La question de savoir si un matériau donné convient à un patient sensible au nickel relève d'une décision du fabricant du dispositif et du clinicien au regard du certificat matière, et non d'une question que la nuance seule permet de trancher.

Pour voir qui d'autre publie ce matériau et ce que chacun indique, voir Fournisseurs de barres en titane Grade 23 : comparaison des pages de cinq entreprises.

Détails des spécifications avec sources

La documentation pour implants Ti-6Al-4V ELI relève de deux documents parallèles, et leurs valeurs d'acceptation ne sont pas identiques. ISO 5832-3, la norme pour implants en Ti-6Al-4V corroyé, indique une résistance à la traction minimale de 860 MPa, une limite d'élasticité conventionnelle à 0,2 pour cent de 780 MPa et 10 pour cent d'allongement, valeurs proches mais différentes de celles des ASTM F136 valeurs de barres présentées dans le tableau ci-dessus. Une coulée certifiée uniquement selon ISO 5832-3 ne satisfait donc pas automatiquement une commande F136, car chaque document échantillonne et établit les rapports selon ses propres clauses, et un dossier de dispositif citant les deux nécessite que la base d'acceptation soit indiquée ligne par ligne.

Pour les achats aérospatiaux plutôt que pour les implants, la même composition chimique ELI est commandée selon SAE AMS 4930, qui couvre les barres, fils, pièces forgées et anneaux en Ti-6Al-4V ELI à l'état recuit, ou AMS 4931, la version recuite duplex utilisée pour les composants critiques vis-à-vis de la rupture. La vérification de l'allégation relative aux éléments interstitiels sur tout certificat repose sur les méthodes analytiques : ASTM E1409 couvre la détermination de l'oxygène et de l'azote dans le titane par fusion sous gaz inerte, et ASTM E1447 couvre l'hydrogène par fusion sous gaz inerte avec conductivité thermique. La citation de ces normes de méthode dans la commande lie la technique de laboratoire aux limites certifiées.