Titane vs aluminium pour les pièces aéronautiques et médicales : comment choisir

Titane vs aluminium pour les pièces aéronautiques et médicales : comment choisir

Le Ti-6Al-4V a une densité de 4,43 g/cm³ et offre 895–930 MPa de résistance à la traction ; le 6061-T6 a
une densité de 2,70 g/cm³ et offre 310 MPa.
Divisez par la densité et le classement change : le Ti-6Al-4V atteint 202,0–209,9 MPa par g/cm³, le
7075-T6 atteint 203,6 et le 6061-T6 atteint 114,8. Toute la décision tient dans une ligne — l'aluminium
7075-T6 supporte la même charge par unité de poids que le Ti-6Al-4V, pour 40% du coût matière du
titane. La question n'est donc jamais « quel matériau est plus résistant ». Elle est « cette pièce
a-t-elle besoin de la résistance du titane et de son comportement face à la corrosion ou à la
biocompatibilité, ou seulement de sa résistance ? »

Quand le titane est réellement le bon choix

Partez du service rendu, pas de la liste des matériaux. Le titane mérite sa place quand l'environnement
d'utilisation plaide en sa faveur.

Deux lignes « Oui », trois lignes « Peut-être » et trois lignes « Non ». Un acheteur qui choisit le titane
doit franchir l'une des deux lignes « Oui » ou justifier techniquement une ligne « Peut-être ». Tout le
reste revient à payer une prime pour une propriété que la pièce n'utilise pas.

Résistance, densité et résistance spécifique

Lisez attentivement la ligne de dureté : le Grade 2 à 200–275 HB et le Ti-6Al-4V à 33–36 HRC ne sont pas
sur la même échelle, ne les comparez donc pas directement. Ce qui compte, c'est le contraste avec
l'aluminium — le 6061-T6 à 95 HB et le 7075-T6 à 150 HB sont les deux options les plus faciles à usiner du
tableau, et c'est de cette différence que vient l'essentiel du coût du titane.

C'est la colonne de résistance spécifique qui tranche la plupart des débats :

Le 7075-T6 et le Ti-6Al-4V sont à moins de 1% l'un de l'autre par unité de poids. Le 2024-T4 est le choix
aluminium quand la tenue en fatigue prime — 20% d'allongement et 469 MPa — et c'est la nuance employée dans
les skins d'avion et les structures d'aile, ce qui explique qu'elle apparaisse sur les plans aéronautiques
à côté du titane. Le Grade 2 à 61,0 n'est proche de ni l'un ni l'autre ; son argument est la corrosion et la
biocompatibilité, pas la résistance.

Grade 2 ou Ti-6Al-4V

La règle est courte : résistance à la corrosion sans haute résistance, c'est Grade 2 ; haute résistance à
faible poids, c'est Ti-6Al-4V. Un piège mérite d'être nommé — la limite élastique du Grade 2 n'atteint que
275 MPa, ce qui est plus faible que le 6061-T6. Spécifier du Grade 2 pour une pièce structurelle très
sollicitée est une rétrogradation, pas une amélioration.

Ce que le titane change sur la machine

Le titane n'est pas un matériau coûteux que l'on usine comme de l'aluminium. C'est un procédé différent
soumis à des règles différentes, et ces règles commandent le coût.

Quatre règles décident si une pièce en titane réussit ou devient de la ferraille :

• Vitesse de coupe basse. Le Grade 2 tourne à 30–60 m/min et le Ti-6Al-4V à 20–45 m/min. Aller plus vite
  ne fait que brûler l'outil sans couper plus vite.
• L'arrosage continu est obligatoire. Le titane conduit mal la chaleur, la chaleur reste au tranchant.
  Sans arrosage continu, la durée de vie de l'outil tombe à quelques minutes.
• Remplacez l'outil au premier signe d'usure. Le titane s'écrouit. Un outil émoussé laisse une couche
  superficielle durcie qui détruit aussi l'outil suivant. Les fraises revêtues TiAlN ou diamant durent 3–5
  fois plus longtemps.
• Copeaux fins, plusieurs passes superficielles. Gardez une profondeur de coupe radiale faible, car des
  copeaux épais génèrent trop de chaleur.

Et une règle de sécurité qui n'a pas d'équivalent dans l'aluminium : n'utilisez jamais d'huile de coupe.
Les copeaux fins de titane peuvent s'enflammer, et un feu de titane brûle à 3000°C+ — il ne peut pas être
éteint à l'eau parce qu'il brûle plus fort. Utilisez un fluide d'arrosage à base d'eau et gardez la machine
propre.

Finitions de surface : ce qui fonctionne sur quel matériau

Deux remarques pratiques. Premièrement, l'anodisation ajoute 10–25 µm par surface, si bien qu'un ajustement
serré fait sortir la pièce de cote après traitement — usinez donc en petit de la moitié de l'épaisseur
d'anodisation avant la sortie. Deuxièmement, l'anodisation du titane relève d'une électrochimie différente
de celle de l'aluminium, même lorsque les deux sont qualifiées de Type II ; un fournisseur qui n'a exploité
que des lignes aluminium n'est pas automatiquement qualifié pour une surface en titane.

Où les acheteurs sur-spécifient le titane, et ce que cela coûte

Le détail des coûts derrière la première ligne mérite d'être explicité, car c'est ce que l'acheteur paie
réellement : la matière première en titane coûte 5–10 fois plus cher que l'aluminium et 3–5 fois plus cher
que l'inox, l'usinage coûte 2–3 fois plus cher que l'acier, et un prototype relève d'abord de l'aluminium
ou de l'acier.

Ce qu'il faut inscrire sur le plan

1. La nuance et l'état, ensemble — Ti-6Al-4V ou Grade 2, et s'il est recuit, mis en solution ou
   vieilli. « Titane » seul laisse la résistance ouverte.
2. L'environnement — eau salée, contact avec le corps, projections chimiques. Si aucun ne s'applique,
   indiquez-le sur le plan ; c'est le moyen le plus rapide de justifier une alternative en aluminium.
3. La charge et sa direction — si la pièce n'est pas sollicitée au-delà de 503 MPa, l'aluminium 7075-T6
   couvre le besoin.
4. La finition — anodisation Type II, PVD ou brut, figée avant le chiffrage, parce que l'anodisation
   modifie les dimensions.
5. La voie du prototype — si la pièce est encore en développement, usinez la première pièce en 6061-T6
   et ne passez au titane qu'une fois la conception figée.