Oui. Le titane est un métal conducteur, mais peu performant à cet égard. Grade 2 commercialement pur présente une résistivité électrique de 56 microhm-centimètres à température ambiante, ce qui correspond à environ 3 pour cent de la conductivité du cuivre recuit. La dispersion derrière ce chiffre importe davantage que le chiffre lui-même : Grade 5 se situe à 171, soit environ trois fois plus résistif que Grade 2, de sorte que la réponse à la question de savoir si le titane conduit dépend du titane figurant sur le plan.
Résistivité et conductivité thermique, nuance par nuance
Les valeurs ci-dessous sont les valeurs à température ambiante publiées dans le RMI Titanium Company Titanium Alloy Guide (janvier 2000), tirées des fiches de données par nuance d'une seule publication, de sorte que les nuances reposent sur la même base. La colonne de conductivité est calculée à partir de la résistivité par rapport à l'International Annealed Copper Standard, dans lequel 100 pour cent IACS est défini comme une résistivité de 1,7241 microhm-centimètres à 20 degrés C. Les numéros UNS indiqués sont donnés à titre de correspondance uniquement. Grade 23 apparaît ici sous R56407 ; R56401 est le numéro indiqué par ASTM F136 pour la forme d'implant chirurgical du même alliage.
| Nuance | UNS | Résistivité électrique (microhm-cm) | Env. pour cent IACS | Conductivité thermique (W/m·°C) |
|---|---|---|---|---|
| Grade 1 | R50250 | 54 | 3.2 | 20.8 |
| Grade 2 | R50400 | 56 | 3.1 | 20.8 |
| Grade 3 | R50550 | 56 | 3.1 | 19.7 |
| Grade 4 | R50700 | 60 | 2.9 | 17.3 |
| Grade 7 | R52400 | 56 | 3.1 | 20.8 |
| Grade 12 | R53400 | 52 | 3.3 | 19 |
| Grade 9 | R56320 | 126 | 1.4 | 8.3 |
| Grade 23 | R56407 | 165 | 1.0 | 7.3 |
| Grade 5 | R56400 | 171 | 1.0 | 6.6 |
Deux éléments de ce tableau méritent une seconde lecture. Grade 12, un alliage choisi pour son comportement dans la saumure chaude, est l'entrée la plus conductrice de la liste, légèrement devant Grade 2 non allié. Et les deux colonnes évoluent globalement ensemble : les alliages alpha-bêta sont moins performants sur les deux plans, Grade 5 représentant environ un tiers de Grade 2 sur les plans électrique et thermique. Cependant, cette correspondance n'est pas exacte ligne par ligne. Grade 12 présente la résistivité la plus faible du tableau et une conductivité thermique légèrement inférieure à celle de Grade 2.
Un autre point à lire attentivement : il s'agit des valeurs d'une publication, et les valeurs publiées pour une même nuance ne concordent pas toutes. Beiyu Titanium fiche technique Grade 2 indique 0.48 à 0.53 microhm-mètres, soit 48 à 53 dans les unités ci-dessus contre 56 pour RMI ; la Tôle Grade 23 indique 168 à 175 contre 165 pour RMI. Grade 5 est celui qui concorde étroitement, 170 contre 171. L'écart provient de la pureté au sein de la nuance, de l'état du produit et de la base de mesure plutôt que d'une erreur de l'une des sources, et la conductivité thermique se comporte de la même manière, raison pour laquelle notre propre fiche technique indique 16 à 22 W/m·K alors que le tableau ci-dessus donne une seule valeur de 20.8.
Cette dispersion constitue également l'argument pratique de cette page. Si une propriété aussi élémentaire varie d'environ dix pour cent entre des sources publiées réputées, un plan qui lui impose une limite nécessite une valeur mesurée sur la commande, et non une valeur de manuel copiée d'un tableau.
Pourquoi les nuances alliées sont trois fois plus défavorables
La tendance parmi les nuances non alliées fournit le premier indice. Les Grade 1 à Grade 4 diffèrent principalement par les quantités d'oxygène et de fer autorisées par la composition chimique, et la résistivité suit globalement la tendance suivante : 54, 56, 56, 60. La tendance est générale plutôt que stricte. ASTM B348 autorise davantage d'oxygène pour Grade 3 que pour Grade 2, 0.35 pour cent contre 0.25, mais les deux sont indiqués à 56. Les atomes d'impuretés dissous diffusent les électrons de conduction, ce qui est l'explication habituelle de l'augmentation de la résistivité avec la teneur en éléments interstitiels et en fer, mais cela ne résout pas des différences aussi faibles.
Grade 5 pousse ce mécanisme beaucoup plus loin. Il s'agit de titane contenant environ 6 pour cent d'aluminium et 4 pour cent de vanadium, une teneur en éléments d'alliage environ d'un ordre de grandeur supérieure aux niveaux résiduels qu'ASTM B348 autorise dans le titane CP, dont les maxima totalisent environ 1 pour cent, et il est biphasé plutôt que monophasé. Grade 23 est le même alliage avec des limites d'éléments interstitiels plus strictes, et ASTM B348 les chiffre ainsi : oxygène à 0.13 pour cent maximum contre 0.20 pour Grade 5, azote 0.03 contre 0.05, fer 0.25 contre 0.40. Il s'agit d'une faible modification s'ajoutant à une teneur élevée en éléments d'alliage, et les valeurs publiées sont cohérentes avec cela : Grade 23 se situe à 165 contre 171 pour Grade 5, loin de Grade 2. Grade 9, à 126, est le cas intermédiaire que sa composition laisse prévoir.
En pratique : le choix entre Grade 2 et Grade 5 pour des raisons de résistance ou de corrosion modifie également le comportement électrique et thermique de la pièce d'un facteur trois, et cette modification est rarement prise en compte lors du choix de la nuance.
Lorsque la conductivité du titane est l'objectif plutôt que le problème
Une faible conductivité n'est pas automatiquement un inconvénient. Trois applications que les acheteurs nous soumettent en dépendent directement.
| Application | Ce que fait la résistivité | Ce que cela signifie pour la commande |
|---|---|---|
| Anodes à courant imposé | Le titane est un substrat qui conduit le courant vers un revêtement, et non la surface de l'électrode elle-même. Le courant doit circuler depuis la connexion à travers le substrat jusqu'au revêtement dans un métal ayant 3 pour cent de la conductivité du cuivre | La longueur, la section et le détail de raccordement comptent autant que la nuance, et le système de revêtement est spécifié séparément |
| Soudage par résistance de pièces en titane | La chaleur est générée proportionnellement à la résistance et au carré du courant, de sorte que la résistivité élevée et la faible conductivité thermique du titane concentrent la chaleur au niveau du joint plutôt que de la dissiper | La nuance est un paramètre du programme, car Grade 5 et Grade 2 présentent un écart de résistivité d'un facteur trois |
| Surfaces d'échangeurs de chaleur | La faible conductivité thermique est compensée par les parois minces que permettent la résistance mécanique et la résistance à la corrosion du titane | L'épaisseur de paroi et les dimensions du tube font partie de la réponse thermique, et ne relèvent pas uniquement du choix du matériau |
Le cas des anodes est celui auquel les acheteurs arrivent le plus souvent à partir de cette question. Notre guide des anodes en titane pour la protection cathodique et le guide des anodes revêtues de MMO expliquent comment le revêtement et le substrat se répartissent la fonction. Pour l'aspect thermique, la page sur les échangeurs de chaleur en Grade 2 traite de l'épaisseur de paroi.
Ce qu'un certificat matière ne vous indiquera pas
ASTM B348 pour les barres et billettes, ASTM B265 pour les plaques et tôles, et ASTM B338 pour les tubes sont les spécifications selon lesquelles la plupart des produits de titane d'usine sont commandés. Aucune ne spécifie la résistivité électrique ou la conductivité thermique. Elles couvrent la composition chimique, les propriétés mécaniques et les dimensions, de sorte qu'un certificat émis selon l'une d'elles ne mentionnera pas la propriété traitée par cette page.
| Spécification | Forme de produit | Nombre d'occurrences de « résistivité » dans le texte | Où apparaît « conductivité » |
|---|---|---|---|
| ASTM B348 | Barre et billette | Aucun | Uniquement dans le titre d'ASTM E1447, la méthode référencée de détermination de l'hydrogène |
| ASTM B265 | Bande, tôle et plaque | Aucun | Uniquement dans le titre d'ASTM E1447 |
| ASTM B338 | Tube sans soudure et soudé | Aucun | Uniquement dans le titre d'ASTM E1447 |
La seule occurrence du terme mérite d'être comprise, car c'est le type d'élément qui est mal interprété dans la précipitation. ASTM E1447 est la méthode à laquelle ces spécifications font référence pour mesurer l'hydrogène dans la composition chimique, et son titre complet désigne la conductivité thermique et la détection infrarouge comme mode de lecture du gaz par l'instrument. Il s'agit d'une technique analytique figurant dans la liste des références, et non d'une propriété à laquelle le matériau est tenu. La méthode relative à l'oxygène et à l'azote qui l'accompagne, ASTM E1409, utilise la fusion sous gaz inerte sans mention de conductivité dans son titre. Il n'existe pas non plus d'exigence supplémentaire sur laquelle s'appuyer : les exigences supplémentaires S1 à S3 de B265 couvrent l'essai de pliage de surface, un plafond de limite d'élasticité et la planéité, aucune n'étant électrique, tandis que B338 et B348 ne comportent aucune section relative aux exigences supplémentaires.
C'est la raison pour laquelle des valeurs de manuel comme celles ci-dessus existent et sont citées : ce sont des valeurs typiques pour la nuance, et non des valeurs garanties pour la coulée devant vous. Pour la plupart des pièces, cette distinction n'a aucune importance. Elle importe lorsqu'un plan impose une limite de résistivité ou de conductivité, car aucune clause de la spécification matériau ne peut alors être invoquée et la mesure doit être convenue dans la commande, avec la méthode et la température auxquelles elle est effectuée.
Questions complémentaires courantes
Le titane conduit-il suffisamment bien l'électricité pour être utilisé comme conducteur ? Non. À environ 3 pour cent IACS pour les nuances CP et 1 pour cent pour Grade 5, le titane est un matériau structural et résistant à la corrosion qui conduit accessoirement, et non un conducteur. Lorsqu'un composant en titane doit transporter un courant significatif, l'augmentation de la section de titane pour compenser conduit à la section et au poids que la pièce avait été choisie pour éviter, de sorte que le chemin de courant est normalement résolu séparément de la pièce en titane.
Le titane conduit-il l'électricité à travers sa couche d'oxyde ? Pas facilement. Le film passif de dioxyde de titane qui confère au titane sa résistance à la corrosion est un mauvais conducteur, ce qui explique notamment que les connexions électriques au titane soient réalisées sur des surfaces préparées, et en partie pourquoi le titane nu n'est pas utilisé comme surface active d'une anode. C'est aussi pourquoi une mesure de résistance effectuée à travers une surface telle que reçue peut donner une valeur très différente de celle du matériau massif.
La résistivité doit-elle déterminer le choix entre le titane et un autre alliage ? Rarement. Ni le titane ni les alliages inoxydables et de nickel avec lesquels il est en concurrence ne sont des conducteurs, et les valeurs qui les distinguent sont faibles par rapport aux différences de comportement à la corrosion, de résistance et de densité qui déterminent normalement le choix. Lorsque la résistivité est réellement la propriété déterminante, elle doit figurer sur le plan sous forme de limite plutôt que dans une comparaison de matériaux.
La résistivité varie-t-elle avec la température ? Oui, et les valeurs publiées ci-dessus correspondent à la température ambiante. Pour un service bien au-dessus ou au-dessous de l'ambiante, la température considérée doit être indiquée, car une valeur unique à température ambiante ne répond pas à une question de haute température.
Le titane est-il suffisamment conducteur pour assurer une liaison équipotentielle ou une mise à la terre à travers une structure ? Le titane peut transporter un courant de liaison équipotentielle, mais deux éléments s'y opposent et il convient de les distinguer. La résistivité volumique est le problème le moins important à 56 microhm-centimètres pour Grade 2. Le plus important est l'oxyde passif à la surface de contact, dont la résistance n'est pas du tout une propriété de la nuance et varie selon la préparation de surface. C'est pourquoi une mesure de liaison équipotentielle effectuée sur une surface telle que reçue renseigne sur la surface plutôt que sur le titane, et pourquoi la préparation du contact doit figurer sur le plan à côté de toute limite de résistance de liaison équipotentielle.
Le titane est-il magnétique ? Non, et il s'agit d'une propriété distincte avec son propre problème de certificat. La page sur la perméabilité la traite.
Détails des spécifications avec sources
Les valeurs de résistivité et de conductivité thermique du tableau sont les valeurs à température ambiante publiées dans RMI Titanium Company Titanium Alloy Guide, janvier 2000, dans la section consacrée aux propriétés du titane commercialement pur et des alliages de titane. La valeur de 171 microhm-centimètres pour Grade 5 est corroborée indépendamment par la NASA Materials Data Handbook: Titanium 6Al-4V préparé dans le cadre du contrat NAS8-26644, qui indique une résistivité électrique de 171 microhms-cm à 20 degrés C dans son résumé tabulaire. La colonne pour cent IACS est un calcul par rapport à la valeur de l'International Annealed Copper Standard de 1.7241 microhm-centimètres à 20 degrés C, et non une valeur publiée séparément. Les valeurs de comparaison citées par rapport à celles de RMI sont celles figurant dans les fiches techniques Beiyu Titanium Grade 2, Grade 5 et Grade 23, et elles sont présentées plutôt que rapprochées car le désaccord entre les sources publiées constitue lui-même le sujet. Les limites de composition citées pour Grade 5 et Grade 23 proviennent du tableau des exigences chimiques d'ASTM B348, dont le domaine d'application couvre les barres et billettes en titane et alliages de titane ; les identités d'alliage de 6 pour cent d'aluminium et 4 pour cent de vanadium sont les descriptions que B348 donne lui-même à ces nuances dans ses clauses de domaine d'application. Quant au certificat : aucun d'ASTM B348, B265 ou B338 ne contient le mot résistivité dans son texte, et la seule occurrence de conductivité dans chacun se trouve dans le titre de la méthode d'essai d'hydrogène référencée, ASTM E1447. Les trois fixent des exigences chimiques, mécaniques et dimensionnelles, et s'arrêtent là.
Éléments à indiquer dans la demande de prix
La résistivité et la conductivité thermique ne figurent pas parmi les éléments de certificat dans les trois spécifications ci-dessus. Par conséquent, un plan comportant une limite nécessite que la demande de prix comporte quatre éléments qu'un certificat délivré selon ces seules spécifications n'indiquera pas : la limite elle-même, la méthode d'essai, la température à laquelle la mesure est effectuée et la nuance. Avec ces quatre éléments, l'essai supplémentaire est chiffré avec le matériau au lieu d'apparaître lors du contrôle. Les supports d'anode nécessitent deux éléments supplémentaires, le chemin du courant et le système de revêtement, car ils dimensionnent davantage la section que le choix de la nuance. Beiyu Titanium fournit du titane en Grade 1, 2, 5, 7, 9, 12 et 23 sous forme de barre, plaque, tôle, tube et pièces forgées selon les normes ASTM et AMS, avec un certificat de réception 3.1 selon EN 10204 en fonction du périmètre de la commande. Grades 3 et 4 figurent dans le tableau ci-dessus pour la tendance qu'ils montrent parmi les nuances non alliées, et non comme offre de fourniture.