Tableau des nuances de titane : comparaison de toutes les nuances ASTM avec UNS et propriétés

ASTM numérote les nuances de titane à partir de Grade 1 et laisse 8, 10 et 22 non attribués, de sorte que le nombre dépend de la norme et de l'édition consultées. Environ une douzaine représentent la quasi-totalité des commandes commerciales. Elles se répartissent en deux familles : le titane commercialement pur, dont la teneur en oxygène et en fer définit la résistance, et les alliages de titane contenant de l'aluminium, du vanadium, du palladium, du molybdène ou du nickel. Les acheteurs choisissent d'abord selon les conditions de service, puis selon la résistance.

Aperçu des nuances de titane

Le tableau ci-dessous couvre les douze nuances qui représentent la plupart des commandes commerciales de titane. Les valeurs de résistance à la traction sont les minima à l'état recuit exigés par ASTM B265 (bande, tôle et plaque) et ASTM B348 (barre et billette), qui spécifient des valeurs identiques pour ces nuances. L'allongement est mesuré sur 2 in. ou 50 mm selon B265 et sur 4D selon B348.

La colonne Werkstoffnummer indique aussi, après la barre oblique, la désignation française : T35 pour le Grade 1, T40 pour le Grade 2 et T60 pour le Grade 4.

Deux remarques avant que ce tableau ne soit repris dans une commande. La densité est une propriété physique nominale, et non une exigence ASTM, elle n'apparaît donc jamais sur un certificat matière en tant que valeur contrôlée. De plus, le numéro UNS du Grade 23 dépend de la norme : pour les spécifications de produits d'usine de la série B ASTM B265, B348, B381 et B863, la correspondance est R56407, tandis qu'ASTM F136 pour les implants chirurgicaux l'indique comme R56401, et l'indication du mauvais numéro est une cause fréquente de rejet du matériau. Les plans européens utilisent souvent le numéro de matériau DIN à la place, que notre Référence croisée Werkstoffnummer-ASTM établit la correspondance dans les deux sens.

Nuances de titane commercialement pur 1 à 4

Les quatre nuances commercialement pures sont du titane non allié, sans ajouts intentionnels d'éléments d'alliage. Ce qui les distingue n'est pas la pureté au sens large. Il s'agit du niveau autorisé d'oxygène et d'azote interstitiels, ainsi que de fer substitutionnel, que la norme autorise délibérément parce qu'ils augmentent la résistance. ASTM B861 l'indique dans son propre champ d'application : Grade 1 est du titane non allié à faible teneur en oxygène, Grade 2 à teneur standard en oxygène, Grade 3 à teneur moyenne en oxygène.

En lisant la ligne de l'oxygène vers le bas et celle de l'allongement vers le haut, la logique de la famille apparaît. L'oxygène passe de 0,18 à 0,40 pour cent, la résistance à la traction minimale fait plus que doubler, l'allongement passe de 24 à 15 pour cent. Grade 4 n'est pas de qualité inférieure à Grade 1 ; il contient délibérément davantage d'oxygène et de fer pour obtenir de la résistance, au prix de la formabilité et de la ductilité en soudage. Les limites de carbone et d'hydrogène ne varient pas entre les quatre, et l'hydrogène à 0,015 pour cent maximum est le point à surveiller sur le certificat matière, car les plaquettes d'hydrure fragilisent le matériau sans modifier les valeurs de traction. La limite d'élasticité comporte également un maximum dans ASTM B265, car une tôle qui dépasse la plage ne pourra pas être mise en forme selon les géométries pour lesquelles ces nuances sont achetées.

Un point que les tableaux publiés des nuances présentent mal : ASTM ne spécifie ici aucun pourcentage minimal de titane. B265 et B348 indiquent tous deux que le titane est déterminé par différence, de sorte que des chiffres tels que 99,5 pour cent pur sont des reliquats arithmétiques des maxima des éléments, et non une valeur que quiconque certifie. En pratique, Grade 2 est la nuance de volume, Grade 1 est choisie lorsque la pièce est fortement emboutie ou utilisée comme substrat d'anode ou revêtement libre, et Grades 3 et 4 sont utilisés lorsqu'une pièce sous pression nécessite une résistance de niveau alliage avec le comportement à la corrosion d'un titane non allié. Les filières de produits sont présentées dans nos Guide ASTM B265 sur les tôles et plaques et Guide ASTM B348 sur les barres et billettes.

Nuances d'alliages de titane

Grade 5, Ti-6Al-4V

Grade 5 est l'alliage de titane le plus couramment commandé. ASTM autorise 5,5 à 6,75 pour cent d'aluminium et 3,5 à 4,5 pour cent de vanadium, 0,20 pour cent d'oxygène max et 0,40 pour cent de fer max. Les minima à l'état recuit sont de 895 MPa en traction et 828 MPa en limite d'élasticité à 10 pour cent d'allongement, soit environ trois fois la limite d'élasticité de Grade 2 à 98 pour cent de la densité. Il répond au traitement de mise en solution et au vieillissement, l'état doit donc être indiqué, faute de quoi l'usine fournit le matériau recuit. Il est soudable, mais nécessite un contrôle plus strict que le titane commercialement pur, et son usinage est plus lent.

Grade 9, Ti-3Al-2.5V

Grade 9 se situe entre les nuances CP et Grade 5, avec une résistance à la traction minimale de 620 MPa, une limite d'élasticité minimale de 483 MPa et un allongement de 15 pour cent. Les faibles teneurs de 3 pour cent d'aluminium et de 2,5 pour cent de vanadium conservent une ductilité suffisante pour l'étirage et le pliage à froid, ce qui explique sa prédominance dans les tubes en titane destinés aux conduites hydrauliques, aux conduits aérospatiaux et aux cadres de bicyclettes. Il constitue une amélioration du rapport résistance-poids par rapport à Grade 2, et non une amélioration de la résistance à la corrosion : dans l'eau de mer ou les acides, les nuances privilégiant la corrosion restent la solution. Les filières de tubes sont présentées dans le guide ASTM B338 sur les tubes.

Grade 23, Ti-6Al-4V ELI

Grade 23 est Grade 5 avec des interstitiels réduits : oxygène 0.13 au lieu de 0.20 pour cent, fer 0.25 au lieu de 0.40, azote 0.03 au lieu de 0.05, hydrogène 0.0125 au lieu de 0.015, aluminium plafonné à 6.5 plutôt qu'à 6.75. ELI signifie extra low interstitial. Cela augmente la ténacité à la rupture et la tolérance aux dommages et améliore le comportement cryogénique, au prix de la résistance : les minima tombent à 828 MPa en traction et 759 MPa en limite d'élasticité. Ce compromis est précisément la raison d'être de cette nuance, et il est analysé par rapport à Grade 5 dans notre Grade 5 et Grade 23 comparés côte à côte.

Grade 23 est également le cas où la numérotation UNS prête à confusion. Sous forme de barre selon ASTM B348, de plaque selon B265, de pièces forgées selon B381 ou de fil selon B863, il correspond à UNS R56407. En tant que matériau d'implant chirurgical selon ASTM F136, il correspond à UNS R56401, et F136 n'est pas simplement une version plus stricte du même document : il fixe des minimums de résistance à la traction plus élevés, autorise davantage d'azote à 0.05 plutôt que 0.03 pour cent, et limite plus strictement l'hydrogène à 0.012 plutôt que 0.0125 pour cent. Même alliage, critères d'acceptation différents. Indiquez la norme, et pas seulement la nuance.

Nuances résistantes à la corrosion : 7, 11, 12, 16, 17

Le titane résiste à la corrosion grâce à un film passif de dioxyde de titane. Dans des conditions de chlorures oxydantes et neutres, ce film se reforme aussi rapidement qu'il est endommagé, ce qui explique pourquoi Grade 2 résiste indéfiniment à l'eau de mer. Dans les acides réducteurs et à l'intérieur de interstices étroites où l'oxygène est consommé, le film ne peut pas se réparer et le titane non allié se corrode activement. Quatre de ces cinq nuances corrigent cela par un faible ajout d'éléments du groupe du platine ; la cinquième utilise un mécanisme différent.

Le palladium agit comme cathode à faible surtension d'hydrogène. Quelques centièmes de pour cent déplacent le potentiel de l'alliage dans le domaine passif, de sorte que le film d'oxyde se reforme là où il ne le ferait pas autrement. Grades 7 et 11 contiennent 0,12 à 0,25 pour cent de palladium ; Grades 16 et 17 contiennent 0,04 à 0,08 pour cent, soit environ un tiers du palladium et l'essentiel du bénéfice dans des conditions de service moins agressives. Ce sont des nuances au palladium, et non des nuances au ruthénium : les équivalents au ruthénium sont Grade 26 et Grade 27, tous deux à 0,08 à 0,14 pour cent de ruthénium, développés lorsque le prix du palladium rendait la famille Grade 7 coûteuse. L'appariement est systématique, chaque nuance au palladium reposant sur une base commercialement pure, et les propriétés mécaniques proviennent de cette base plutôt que de l'ajout, ce qui explique pourquoi Grade 7 et Grade 2 partagent les mêmes minima de traction.

Grade 12 est l'exception et la nuance la plus souvent mal interprétée : il ne contient aucun métal du groupe du platine. Le molybdène et le nickel portent la résistance à la traction minimale à 483 MPa et relèvent le seuil de corrosion caverneuse, ce qui explique pourquoi il est spécifié pour les saumures chaudes plutôt que les acides froids. La règle pratique : un acide réducteur oriente vers Grade 7 ou Grade 16, un chlorure chaud vers Grade 12, et lorsque les deux s'appliquent, le choix nécessite un ingénieur corrosion plutôt qu'un tableau. La sélection milieu par milieu est traitée dans notre guide de sélection des nuances de titane pour le traitement chimique.

Alliages de titane alpha, alpha-bêta et bêta

Le titane pur change de structure cristalline à environ 882 degrés C, passant de l'alpha hexagonal compact en dessous au bêta cubique centré au-dessus. Les éléments d'alliage sont classés selon la phase qu'ils stabilisent : l'aluminium, l'oxygène, l'azote et l'étain stabilisent l'alpha, tandis que le vanadium, le molybdène, le niobium, le fer, le chrome et le nickel stabilisent le bêta. L'équilibre détermine le comportement d'une nuance lors du traitement thermique et de la mise en forme.

Nuances alpha et quasi-alpha

Les nuances de titane commercialement pur 1 à 4 et les nuances au palladium 7, 11, 16 et 17 sont alpha monophasées, avec tout au plus des traces de bêta. Grade 12 est quasi-alpha, principalement alpha avec un peu de bêta provenant de son molybdène et de son nickel. Aucune ne peut être renforcée par traitement thermique ; la résistance provient de la teneur en éléments interstitiels et de l'écrouissage, ce qui explique précisément pourquoi la section CP ci-dessus est un tableau de composition chimique. Elles sont fournies recuites, se soudent facilement et conservent leurs propriétés à température.

Nuances alpha-bêta

Grade 5 et Grade 23 sont les alliages alpha-bêta classiques, avec les deux phases présentes à température ambiante et une réponse réelle au traitement de mise en solution et au vieillissement. Grade 9 est normalement classée quasi-alpha, avec seulement quelques pour cent de bêta, ce qui lui permet de conserver une ductilité suffisante pour être étirée à froid en tube ; certaines références la regroupent plutôt avec les alliages alpha-bêta faiblement alliés. Puisqu'un numéro UNS couvre des matériaux recuits, traités en solution et vieillis à des résistances très différentes, l'état doit figurer sur la commande.

Nuances bêta

Grades 19, 20 et 21 contiennent suffisamment de stabilisant bêta pour conserver la phase bêta au refroidissement. Ils se conforment bien à froid après mise en solution, puis vieillissent jusqu'aux résistances les plus élevées du système ASTM : B348 fixe un minimum de 1138 MPa pour Grades 19 et 20 et de 1172 MPa pour Grade 21 à l'état vieilli haute résistance, contre 895 MPa pour Grade 5. Leur coût les maintient hors des commandes industrielles courantes.

La conséquence pour la commande est directe. Pour une nuance alpha, l'état n'est pas une variable et le certificat indique les propriétés à l'état recuit. Pour une nuance alpha-bêta ou bêta, omettre l'état de la commande signifie que le seul nom de la nuance ne définit pas la pièce, et les températures de mise en forme par rapport au transus bêta varient selon la classe.

Grade 19 et Grade 29 : les deux nuances que ce tableau ne couvre pas

Le tableau comparatif ci-dessus s'arrête à Grade 23. Deux nuances qui n'y figurent pas apparaissent suffisamment souvent sur les plans pour mériter d'être mentionnées : Grade 19, un alliage bêta, et Grade 29, qui correspond à la composition chimique de Grade 23 avec ajout de ruthénium. Les identités d'alliage ci-dessous sont celles qu'ASTM B348 indique dans sa clause 1.1 du domaine d'application ; la composition chimique et les limites de traction sont celles répertoriées par ASTM B265, il s'agit donc des valeurs pour tôle, bande et plaque plutôt que d'une référence générale. Une commande de barre ou de pièce forgée pour l'une ou l'autre nuance relève de sa propre norme de produit et de ses propres tableaux.

Une colonne du tableau principal manque ici volontairement. Les tableaux de la série ASTM B indiquent les nuances par numéro et n'impriment pas de numéro UNS à côté, de sorte qu'une commande nécessitant une référence UNS doit indiquer la spécification qui la contient plutôt que d'attendre que la norme de produit la fournisse. La note de tableau A d'ASTM B265 ajoute que les minima répertoriés s'appliquent aux essais longitudinaux comme transversaux, et que les propriétés pour les matériaux non recuits ou pour les plaques d'une épaisseur supérieure à 25 mm (1 in.) sont convenues entre l'acheteur et le fournisseur.

Quelles nuances existent dans quelles formes de produit

Une nuance ne peut être commandée dans une forme que si une norme couvre cette combinaison, et les lacunes sont source d'erreurs. ASTM B338, la norme relative aux tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur, ne répertorie pas Grade 4, Grade 5 ou Grade 23 parmi ses 28 nuances, et les normes de tubes B861 et B862 ne répertorient pas Grade 4.

Une lacune ne signifie pas toujours que le matériau ne peut pas être fabriqué. Les tubes en Grade 5 existent, mais ils sont achetés selon une spécification aérospatiale ou selon les normes de tubes plutôt que selon B338, et les barres et fils pour implants en Grade 23 sont achetés selon ASTM F136 plutôt que B348 ou B863. Ces lacunes signifient que la norme indiquée sur la commande doit couvrir la nuance dans cette forme, faute de quoi l'usine ne dispose d'aucun critère d'acceptation auquel certifier.

Comment choisir une nuance de titane

Partir des conditions de service plutôt que du nom de la nuance, dans cet ordre.

Deux modes de défaillance méritent d'être mentionnés. Le premier consiste à choisir Grade 5 par défaut parce qu'il est le plus résistant : il ne surpasse pas Grade 2 dans l'eau de mer ou les acides, et coûte plus cher à acheter, souder et usiner. Le second consiste à considérer Grade 9 comme une amélioration de la résistance à la corrosion : il apporte un meilleur rapport résistance/poids, et non une marge de résistance à la corrosion. Pour la comparaison directe entre le titane commercialement pur et Ti-6Al-4V selon les formes de produits, consultez le Comparaison du titane Grade 2 et Grade 5.

Comment spécifier une nuance de titane sur une commande

Une ligne de commande qu'une usine peut certifier nécessite sept éléments : forme de produit, norme applicable et nuance, numéro UNS, dimensions avec classe de tolérance, état, état de surface, ainsi que l'exigence d'essai et de certificat. Par exemple : barre en titane, ASTM B348 Grade 23, UNS R56407, diamètre 40 mm, recuit, rectifié sans centre, EN 10204 3.1 avec traçabilité par numéro de coulée. Lorsque la forme de produit est une barre et que la nuance reste à définir, utilisez le guide de sélection des nuances de barres en titane avant de fixer la ligne de commande.

La plupart des matériaux refusés remontent à l'une de deux omissions. La première consiste à indiquer une nuance sans norme, ce qui affecte particulièrement Grade 23 : selon ASTM B348, il s'agit d'UNS R56407 avec un minimum de résistance à la traction de 828 MPa, selon ASTM F136, il s'agit d'UNS R56401 avec un minimum plus élevé et des limites interstitielles différentes. La seconde consiste à laisser l'état vide pour une nuance alpha-bêta ou bêta, lorsqu'un même numéro de nuance couvre des matériaux recuits et vieillis séparés de centaines de mégapascals.

Beiyu Titanium fournit produits laminés en titane conformes aux spécifications ASTM et AMS. Lorsque la documentation EN 10204 3.1 et la traçabilité par numéro de coulée ou de lot sont requises, indiquez les résultats demandés et les champs de traçabilité dans la demande de prix. Envoyez la forme du produit, la nuance, la norme applicable, les dimensions, la quantité, l'état et le milieu de service, et Beiyu confirme le périmètre applicable du matériau et des documents dans l'offre.

Combien existe-t-il de nuances de titane ?

Il n'existe pas de nombre unique, et toute réponse donnée sans indiquer une norme est une estimation. ASTM attribue des numéros de nuance dans ses spécifications de produits d'usine, de sorte que le nombre varie selon la spécification et l'édition. ASTM B265 et B348 énumèrent 35 nuances numérotées, Grade 1 à 7, 9, 11 à 21 et 23 à 38, car 8, 10 et 22 ne sont pas attribuées dans la série B ; les éditions ultérieures des deux normes ont encore étendu la plage. Les normes plus ciblées en comportent moins : ASTM B338 couvre 28 nuances et ASTM B861 en couvre 34. Aux numéros s'ajoutent les variantes 2H, 7H, 16H et 26H, qui partagent la composition chimique de la nuance de base mais garantissent une résistance à la traction minimale plus élevée pour les appareils à pression.

Une correction, car l'erreur circule largement sur les sites de fournisseurs : Grade 6 existe. Il s'agit de Ti-5Al-2.5Sn, UNS R54520, répertorié dans ASTM B265 et B348 avec un minimum de résistance à la traction de 828 MPa. Grade 8, Grade 10 et Grade 22 sont les numéros réellement absents de la série B. Les commandes commerciales se concentrent sur environ douze nuances : 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 11, 12, 16, 17 et 23.

Quelle est la meilleure nuance de titane ?

Les nuances de titane sont associées à un service plutôt que classées, la question ne se résout donc qu'une fois les conditions de service indiquées. Grade 2 est la solution par défaut pour l'eau de mer et les applications générales de corrosion, et la plupart des équipements sont fabriqués à partir de cette nuance. Grade 5 s'impose lorsqu'une pièce supporte une charge et doit être usinée. Grade 7 et Grade 11 offrent la marge de résistance à la corrosion la plus large dans les acides réducteurs et les interstices, Grade 16 et Grade 17 couvrent le même service avec une teneur en palladium plus faible, et Grade 12 prend le relais dans les saumures chlorurées chaudes. Grade 23 ne convient que lorsque la ténacité à la rupture ou la conformité aux exigences d'implant est requise.

Quelle est la nuance de titane la plus résistante ?

Parmi les nuances commandées dans des volumes industriels normaux, Grade 5 est la plus résistante avec un minimum de résistance à la traction à l'état recuit de 895 MPa (130 ksi). Des valeurs plus élevées existent dans le système ASTM : B348 fixe un minimum de 1138 MPa pour les alliages bêta Grade 19 et Grade 20, et de 1172 MPa pour Grade 21, à l'état vieilli haute résistance. La nuance de titane commercialement pur la plus résistante est Grade 4 à 550 MPa. Grade 23, bien qu'il s'agisse du Ti-6Al-4V plus coûteux, présente des minimums inférieurs à Grade 5 car il privilégie la ténacité à la rupture au détriment de la résistance.

Quelle nuance de titane est utilisée pour les implants médicaux ?

Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) et les nuances de titane commercialement pur sont les matériaux pour implants, mais la norme est plus importante que le nom de la nuance. Les produits pour implants sont achetés selon ASTM F136 pour Ti-6Al-4V ELI, qui porte UNS R56401, ou selon ASTM F67 pour le titane non allié. Le même alliage acheté comme barre d'ingénierie générale selon ASTM B348 porte UNS R56407 et présente un minimum de résistance à la traction inférieur, et n'est pas interchangeable avec un matériau F136 pour les implants.

Comment les valeurs de ces tableaux sont mesurées

Un tableau de nuances donne des limites. Il n'indique pas comment une valeur a été obtenue, et deux certificats indiquant la même valeur par des méthodes différentes ne répondent pas à la même question. ASTM B348 règle ce point en désignant les méthodes d'essai sur lesquelles il s'appuie, afin que la base puisse être vérifiée plutôt que supposée.

Ce sont les méthodes qu'ASTM B348 désigne dans ses documents référencés et ses sections d'essai. Désigner une méthode établit comment une valeur a été obtenue. Cela n'ajoute pas une étape de contrôle que la commande n'a pas demandée, et ne rend pas deux déterminations différentes interchangeables.

Une distinction supplémentaire détermine la lecture de ces valeurs sur un certificat. Les limites ci-dessus sont des limites d'analyse de coulée relevées lors de la fusion, tandis qu'une analyse produit effectuée ultérieurement sur le produit fini comporte sa propre tolérance selon ASTM B348 et n'élargit pas la nuance. Cette comparaison, ainsi que les champs de commande qui déterminent ce qu'un certificat indique, sont présentés sur la guide de certification Grade 5.

Détails des spécifications avec sources

Dans le système ASTM, les quatre nuances non alliées se distinguent principalement par l'oxygène et la résistance : les limites d'oxygène passent de 0,18% (Grade 1) à 0,25%, 0,35% et 0,40% (Grades 2, 3 et 4), selon ASTM B265, Tableau 1, et la résistance à la traction minimale augmente en conséquence de 240 à 550 MPa, selon Tableau 2 de la même norme.

Les numéros de nuance ne sont pas continus : ASTM B265, Tableau 1 va de Grade 1 à Grade 38, et les numéros 8, 10 et 22 ne sont attribués à aucune composition. Les numéros UNS fournissent la référence croisée non ambiguë, par exemple R50400 pour Grade 2 et R56400 pour Grade 5, selon la même table.

Une fois la nuance définie, la question suivante est de savoir qui la fournit. Le index des listes de fournisseurs de titane regroupe les comparaisons de pages d'entreprise par famille de produits et nuance.