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Le Titane & ses alliages

Pr. Ag. Dorra Kammoun | [email protected]

Le Titane et ses alliages

I. Introduction ............................................................................................................... 2

II. Historique ....................................................................................................................... 2

III. Structure et composition ....................................................................................... 3

1. Structure ................................................................................................................... 3

2. Composition ............................................................................................................. 3

IV. Les alliages du titane .............................................................................................. 4

1. Les alliages alpha ..................................................................................................... 4

2. Les alliages Béta ...................................................................................................... 5

3. Les alliages biphasés alpha-béta .............................................................................. 5

V. Propriétés du titane et de ses alliages ....................................................................... 5

1. Propriétés physiques (Tableau II) ............................................................................ 5

2. Propriétés mécaniques (tableau III) ......................................................................... 6

3. Propriétés biochimiques ........................................................................................... 7

VI. Les alliages à mémoire de forme (AMF) .............................................................. 8

1. La mémoire de forme ............................................................................................... 8

2. La superélasticité...................................................................................................... 9

VII. Procédés de mise en forme .................................................................................. 11

1. Coulée du titane ..................................................................................................... 11

2. Usinage du titane .................................................................................................... 12

3. Frittage laser sélectif .............................................................................................. 12

4. Dépôt de fil en fusion (Fused Deposition Modeling FDM) ................................... 13

5. L’électro-soustraction ou usinage électro-chimique .............................................. 13

VIII. Le titane pour TCM ......................................................................................... 13

IX. Conclusion ............................................................................................................ 14

Références ......................................................................................................................... 14



I. Introduction

L’élément Titane (Ti) est le 10ème

élément le plus abondant de la croûte

terrestre. Il provient de deux principaux minerais:

Le rutile: forme naturelle du bioxyde de titane: TiO2;

L’ulménite: c’est un titanate de fer impur: TiO3Fe;

C’est un métal de transition léger, résistant, d’un aspect blanc métallique et

qui résiste à la corrosion. Il est principalement utilisé dans les alliages légers et

résistants. Il possède à la fois les qualités d’élasticité et de ductilité d’un métal à

cœur et en surface l’inertie chimique d’un oxyde passivant. En d’autres termes,

la résistance à la corrosion et la biocompatibilité sont comparables à celles de la

céramique sans toutefois présenter son caractère fragile.

C’est le TiO2: blanc du titane qui constitue l’essentiel du marché aujourd’hui:

excellent pigment d’un blanc pur (oxyde du Titane).

II. Historique

1790: Il est découvert pour la première fois par Gregor dans des terrains

sablonneux noirs. Gregor lui donne le nom de ″Ménachanite″;

1799: Klaproth découvrit un nouvel oxyde identique à la ″ménachanite″ et

lui donne le nom de ″Titane″ (du latin moderne ″Titanium″ dérivé de ″Titan″

s’inspirant de la mythologie grecque qui veut dire ″force″);

1910: Hunter obtint les premières quantités de ″Titane″ presque pur par

réduction du tétrachlorure de Titane (TiCl4) par le sodium (Na);

1940: Kroll (chimiste Luxembourgeois) met au point un procédé de

production industrielle du Titane;

Actuellement, le Titane constitue un matériau abondant et bon marché.

Les surcoûts proviennent essentiellement de sa mise en œuvre et qui tiennent



compte des spécificités de ce dernier.

L’utilisation du ″Titane″ en médecine s’est d’abord portée vers la chirurgie

orthopédique, puis vers la chirurgie cardio-vasculaire;

Depuis quelques années, le ″Titane″ est entré dans le domaine odontologique:

en ODF: confection d’arcs en Nitinol à mémoire de forme,…

En O.C: Tenons radiculaires et dentinaires, instrumentations de mise

en forme canalaire,…

En chirurgie: vis, plaques d’ostéosynthèse, implants endo-osseux,…

En Prothèse Adjointe complète ou partielle ou en prothèse fixée.

III. Structure et composition

1. Structure

Le Titane peut exister sous 2 formes cristallines qui se différencient par la

nature du réseau cristallin avec transformation réversible à 882°C. Le Titane

peut cristalliser dans le système Hexagonal Compact (HC); c’est le Titane alpha

(Ti α) qui constitue la forme la plus stable à température ordinaire. Il peut

également cristalliser dans le système cubique centré (CC); c’est le Titane béta

(Ti β) qui existe aux températures élevées jusqu’au point de fusion. Les formes

α et β constituent deux variétés allotropiques. β étant plus léger que α.

Titane: structure cristalline hexagonale

compacte (forme )

Titane: structure cristalline cubique

centrée (forme )

2. Composition

Le Titane ″commercialement pur″ est en fait un alliage de Ti avec l’oxygène



dans des concentrations définissant quatre degrés de pureté (tableau I)

Tableau I: Composition des quatre type de titane ″commercialement pur″

Composition chimique (en % en poids)

O max. O min. C max. H max. Ti

grade 1 0,12 0,05 0,06 0,013 reste

grade 2 0,18 0,05 0,06 0,013 reste

grade 3 0,25 0,05 0,06 0,013 reste

grade 4 0,35 0,05 0,06 0,013 reste

Le Titane peut contenir aussi d’autres impuretés en insertion tels que l’H,

L’N et le C.

Les propriétés mécaniques du titane varient en fonction de la teneur en

impuretés. L’augmentation du pourcentage en O2 entraine une diminution de

l’allongement à la rupture, une augmentation de la résistance à la traction et de

la limite élastique à 0,2%. L’H est un élément fragilisant entrainant une

diminution importante de la résistance au choc.

IV. Les alliages du titane

Selon Lachnitt, il existe 3 catégories d’alliages de Ti selon la nature

d’éléments d’addition:

1. Les alliages alpha

Dans ces alliages, les éléments d’addition du TI sont des stabilisants alpha

(éléments alphagènes). Ces éléments élèvent la température de transition α-β et

sont solubles dans la phase α. Ils peuvent être des métaux (Al, Sn) ou d’autres

éléments (O2, N et C). Ces atomes donnent une solution d’insertion car leurs

diamètres atomiques sont inférieur de 0,59 fois par rapport à celui du métal de

base (d’après Hume et Rothery)1 Le plus important de ces alliages est le TA5E

(5% Al et 2% Sn). Le principal reproche fait aux alliages α est leur faible

résistance à la corrosion sous tension.

1 rC = 0,77 Å, rN = 0,71 Å, rO = 0,66 Å



2. Les alliages Béta

Dans ce cas, les éléments d’addition du Ti sont des stabilisants β qui

abaissent la température de transition permettant l’existence de la structure β à

température ambiante. Il peut s’agir d’éléments qui cristallisent dans le système

cubique centrée et qui possèdent un rayon atomique proche de celui du Ti. Dans

ce cas, leur miscibilité est complète à température élevée. Ces éléments sont le

vanadium (V), le niobium (Nb), le tantale (Ta) et le molybdène (Mo). Le chef de

file des alliages β est le TV13CA (13% Vanadium, 11% Chrome et 3%

d’Aluminium).

3. Les alliages biphasés alpha-béta

Dans ce cas, les éléments d’addition appartiennent aux deux familles de

stabilisants. Ces alliages représentent un compromis entre les propriétés des

deux structures. Ils se caractérisent par une structure d’équilibre à 2 phases où la

phase β ne représentant au plus que 20% entrainant donc une plus grande

malléabilité.

L’un des alliages α-β les plus important et le plus couramment utilisé en

dentisterie (implantologie) est le TA6V (6% Al comme stabilisant α et 4% V

comme stabilisant β).

V. Propriétés du titane et de ses alliages

1. Propriétés physiques (Tableau II)

La densité du titane (4,5) est la plus faible des métaux utilisés en

odontologie. Ceci permet de réaliser des prothèses confortables pour le patient

par leur faible poids.

La conductivité thermique (21,9): valeur intermédiaire entre les alliages



précieux et non précieux. Elle représente un avantage pour les couronnes sur

dents vivantes en évitant des sensations désagréables de froid ou de chaud.

Le Coefficient de Dilatation Thermique (CDT) (8,5.10-6

/°C): voisin de

celui de la dentine mais plus bas que celui de la céramique feldspathique

conventionnelle, il impose, pour la réalisation de couronne céramo-métallique

sur une chape en titane, une céramique adaptée.

La température de fusion élevée = 1720°C pose un problème lors de la

mise en forme par coulée et nécessite des systèmes de pression-aspiration.

La transformation allotropique à 882°C nécessite le recours à des

céramiques basse-fusion en cas de TCM.

Tableau II: Propriétés physiques du titane

Etat ordinaire solide

Couleur blanc argenté

Température de fusion 1720°C

Volume molaire 10,64.10-6

m3/mol

La densité 4,507 g/cm3

Conductivité électrique 2,34.106 S/m

Conductivité thermique 21,9W/(m·K)

Coefficient de dilatation thermique 8,5.10-6

/°C

2. Propriétés mécaniques (tableau III)

Le module d’élasticité est faible en le comparant avec celui des alliages

non précieux. Ce ci constitue un inconvénient pour les bridges de longue

portée nécessitant d’augmenter l’épaisseur de la travée pour obtenir une

rigidité suffisante. Les bridges collés sont contre indiqués avec le titane.

La limite élastique assez élevée justifie son utilisation en endodontie et

son aptitude à retrouver sa forme initiale après contrainte en prothèse dentaire.

L’allongement à la rupture (10% pour le Tcp et 14% pour le TA6V) est

comparable avec les alliages précieux donc le titane est un matériau

malléable.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Notation_scientifique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Notation_scientifique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Conductivit%C3%A9_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Siemens_(unit%C3%A9)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Conductivit%C3%A9_thermique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Watt_par_m%C3%A8tre-kelvin



La dureté est caractéristique de la pureté du titane. Elle dépend de la

teneur en oxygène suivie de l’azote et du carbone. Ces derniers durcissent le

métal, augmentent sa limite élastique et sa résistance à la traction et diminuent

sa ductilité.

En effet, les propriétés mécaniques varient en fonction de la teneur en

impuretés. Exemple: la teneur croissante en Fe ou en O2 améliore la résistance à

la rupture et élève la limite élastique du titane.

Pour les applications dentaires, la coulabilité est déterminante. Quelques

alliages sont proposés tels que le Ti30Pd et le Ti50Pd.

Tableau III: Prpriétés mécaniques du titane

Propriétés mécaniques Titane Tcp TA6V

La rigidité en GPa 80 à 100 107

Limite élastique en MPa 750 960

Ténacité en MPa 800 980

La ductilité (L’allongement à la rupture en %) 10 14

La résistance à la traction en MPa. 290 à 410 -

La dureté (VHN) 190 à 200 300

3. Propriétés biochimiques

La résistance à la corrosion: Le titane est un matériau très électronégatif

et donc très réactif au contact de l’air, de l’eau ou de tout autre électrolyte. Il

s’oxyde et forme une fine couche oxydée en surface de 10 à 20 nm: c’est le

phénomène de passivation. Cette couche d’oxyde de titane est très résistante

et protège des attaques chimiques, en particulier des fluides biologiques. Elle

est insoluble et empêche la libération d’ions au contact des fluides

biologiques. Toutefois, la présence d’ions fluor, libérés par exemple par les

gels fluorés, est susceptible de perméabiliser cette couche de TiO2. De même,



l’agression mécanique peut détruire cette couche.

La biocompatibilité remarquable du titane et son succès dans le domaine de

la chirurgie est due à cette couche d’oxyde qui empêche le contact direct entre le

métal et les tissus environnants et procure une très bonne résistance à la

corrosion chimique et électrochimique.

Bactériostaticité: La plaque dentaire ne se dépose pas sur le Ti;

Hémocompatibilité: exceptionnelle pour le Ti (utilisation en chirurgie

dans des applications intra-vasculaires);

Antimagnétisme excellent;

Neutralité du goût: apporte un confort au porteur des prothèses.

VI. Les alliages à mémoire de forme (AMF)

Les AMF exhibent des comportements mécaniquestout à fait particuliers par

rapport aux alliages métalliques classiques: habituellement quand un métal ou

alliage est soumis à une contrainte mécanique supérieure à sa limite élastique, il

subit une déformation plastique qui subsiste après suppression de la contrainte.

Cette déformation n’évolue ensuite pas ou très peu lors de traitements

thermiques ultérieurs. Les AMF semblent échapper à ce comportement grâce à

deux propriétés particulières:

1. La mémoire de forme

C’est la propriété singulière de pouvoir mémoriser une forme déterminée

préalablement. Un échantillon d’un tel alliage déformé de façon apparemment

plastique à une température donnée, peut récupérer intégralement sa forme

initiale par simple chauffage. Cette déformation peut atteindre 8% en traction.



Ce phénomène est associé à une transformation structurale de type

martensitique2 réversible qui se produit entre la température à laquelle on a

déformé l’échantillon et celle à laquelle on l’a réchauffé pour qu’il retrouve sa

forme (transformation martensitique) (Fig. 1). La transformation martensitique

est une transition structurale displacive du premier ordre qui signifie une

déformation homogène du réseau cristallographique constituée essentiellement

par un cisaillement.

Application en orthodontie: refroidit avec un spray réfrigérant (-40°C à -

50°C) l’alliage austénite se trouve à une température inférieure à la température

Ms (transformation austénite/martensite) et devient très facilement déformable.

Il peut être adapté rapidement en bouche à des malpositions importantes. Le fil

réchauffé à la température buccale (T>TAf) peut reprendre sa forme initiale.

Figure 1: Evolution de la fraction volumique de martensite au refroidissement et au chauffage

2. La superélasticité

Cette transformation martensitique est à l’origine d’autres propriétés

thermoplastiques inhabituelles telles que la superélasticité. A une température

2 Historiquement, le terme de transformation martensitique décrit la transformation de l’austénite des aciers

(fer + C) en martensite lors d’une trempe. Par extension, ce terme a été généralisé pour un grand nombre

d’alliages.

Fraction volumique de martensite

Martensite Austénite



constante > TAf lorsque l’on applique une contrainte croissante et que celle-ci

atteint la valeur critique, une déformation importante dans le sens de la

contrainte se produit. Cette déformation disparait à contrainte décroissante.

C’est la superélasticité.

Figure 2: Courbe contrainte-déformation illustrant l’effet superélastique

Ces propriétés rendent ces alliages attractifs dans le cadre de réalisation:

d’instruments endodontiques: limes flexibles négociant toutes les

configurations canalaires. En endodontie, seule la superélasticité est

exploitable: pour les canaux fins, modéremment et fortement courbés ou de

section laminaire, la mise en forme étant difficile, l’instrumentation NiTi peut

appréhender les courbures en se déformant élastique de façon importante et

ceci avecdes conicités plus importantes de 2, 4 et 6%.

de fil orthodontiques (fil Nitinol). En orthodontie les deux propriétés sont

exploitables. Avec les fils NiTi, on peut éviter les changements d’arcs de

sections croissantes et choisir dès le 1er arc un fil rectangulaire de section

importante. Ainsi, la correction des rotations, des versions et des torques

peuvent se faire simultanément. Ceci est permis par un module d’élasticité

faible par rapport à celui des aciers (section du fil faible au début du

traitement car les fils rigides en flexion entrainent des mouvements importants

Déformation élastique habituelle

Déformation superélastique due

à la formation de martensite

Contrainte critique



et il faut donc augmenter la section du fil à chaque fois).

VII. Procédés de mise en forme

1. Coulée du titane

Cette technique se heurte à des difficultés aussi nombreuses que variées qui

résultent des caractéristiques même du métal:

Température de fusion élevée;

Forte réactivité avec l’O2 et avec les céramiques: le titane réagit avec la

plupart des matériaux de fonderie (creusets, revêtement) et avec les

composants de l’atmosphère (H, O, N);

Faible densité qui réduit fortement la chasse du métal fondu dans le

moule.

Diverses solutions sont proposées pour la mise en revêtement ou pour la

fusion et l’injection dans le moule:

Mise en revêtement: des revêtements à liant phosphate (Rematitan) avec

une réduction de la température du moule de 1000°C à 430°C avant de couler

permet de minimiser la réaction de SiO2 avec le Ti et de contrôler l’expansion

de prise. En fait, les impuretés provenant de certains composants du

revêtement tels que la silice, le phosphore et surtout l’Al et l’O2 entrainant des

modifications des propriétés mécaniques par la formation de la couche α-case

en surface qui contient des phases cassantes et sa profondeur a une

répercussion immédiate sur l’élasticité.

Fusion du métal: la faible masse volumique du Ti nécessite une pression

énorme afin que le métal en fusion puisse épouser les moindres détails.

Système statiques à pression-aspiration



Systèmes rotatifs

La fusion proprement dite est effectuée par un arc électrique ou à induction

Figure 3: Système de coulée par fusion à l’arc électrique sous atmosphère d’argon et coulée par pression et aspiration dans un moule situé dans une chambre inférieure (système Cvclarc, de Morita)

2. Usinage du titane

Face aux difficultés propres à la coulée du Ti, d’autres méthodes de mise en

forme ont été proposées. L’usinage mécanique direct du Ti présente un grand

intérêt. Le Ti fraisé par CFAO permet de réaliser des armatures totalement

passives, facilitant le travail du céramiste avec une limite cervicale adaptée

assurant un joint hermétique et biocompatible. Cependant, l’usinage n’est pas si

évident et nécessite souvent des temps d’usinage assez important et un outillage

coûteux.

3. Frittage laser sélectif

C’est un procédé de prototypage rapide qui repose sur la soudure des grains

de poudres couche par couche. Chaque couche étant exposée à un faisceau laser

qui trace la forme de chaque strate et solidifie la poudre. Les grains non chauffés

Argon

Vide

Lingot de titane

Électrode

Creuset basculant en cuivre Canal de coulée

Joint d’étanchéité

Moule



ne sont pas affectés et servent de support pour la couche suivante. Une nouvelle

couche est étalée par un rouleau mécanique et le cycle recommence.

4. Dépôt de fil en fusion (Fused Deposition Modeling FDM)

C’est un procédé de prototypage rapide développé par Stratasys (USA). Il

utilise le mouvement d’une machine à trois axes pour déposer un fil fondu

extrudé par une buse chauffante. La solidification est instantanée quand le fil

entre en contact avec la section précédente.

5. L’électro-soustraction ou usinage électro-chimique

Développé par Krupp en 1989, l’électro-soustraction est l’usinage par

pénétration d’une électrode d’attaque de la forme désirée. Il s’agit de créer dans

un milieu liquide favorable, une série continue d’étincelles électriques entre une

électrode d’une forme spécifique et la pièce à usiner. Ces étincelles arrachent de

petites quantités de matière et permettent ainsi de réaliser des usinages sans

coupeaux et sans les limitations propres aux instruments de coupe rotatifs ou

linéaires. C’est la forme de l’électrode d’attaque qui définit la forme obtenue par

usinage.

VIII. Le titane pour TCM

L’écueil le plus important en ce qui concerne le Ti se situe à deux niveaux:

Le faible CDT

La température de transition allotropique à 882°C

Ces deux caractéristiques interdisent l’usage de céramique dentaire

conventionnelle et impose l’emploi de céramiques basse fusion (CDT adapté

avec le Ti et possédant une température de fusion inférieure à 882°C).



IX. Conclusion

Les propriétés du Ti lui assurent une place de premier plan en Médecine

Dentaire. Ses domaines d’application s’élargissent constamment sous forme

d’objets préfabriqués comme les implants ou les tenons radiculaires. Le titane

est entré avec aisance dans la vie quotidienne du praticien. Cependant, il subsiste

bien des problèmes à résoudre pour une utilisation optimale.

Références

1. Guénin G. Alliages à mémoire de forme. Technique e l’ingénieur,

traité matériaux métalliques, M530:1-15

2. J. M. Meyer. Le titane en dentisterie: quels développements jusqu’à

ce jour? Journal de biomatériaux dentaires, 1993;8:5-29

3. P. Quinquis, C Batifouye-Chelhay, J. Colat-Parros. Le Titane un

matériau de choix? Journal de biomatériaux dentaires, 1993;8:31-47

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