1 LE TITANE ET SES ALLIAgES

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Le Titane & ses alliages
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
Pr. Ag. Dorra Kammoun | [email protected]
1
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
2
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
3
dans des concentrations définissant quatre degrés de pureté (tableau I)
Tableau I: Composition des quatre type de titane ″commercialement pur″
grade 1
grade 2
grade 3
grade 4
O max.
0,12
0,18
0,25
0,35
Composition chimique (en % en poids)
O min.
C max.
H max.
0,05
0,06
0,013
0,05
0,06
0,013
0,05
0,06
0,013
0,05
0,06
0,013
Ti
reste
reste
reste
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
4
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
5
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
Couleur
Température de fusion
Volume molaire
La densité
Conductivité électrique
Conductivité thermique
Coefficient de dilatation thermique
solide
blanc argenté
1720°C
10,64.10-6 m3/mol
4,507 g/cm3
2,34.106 S/m
21,9W/(m·K)
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.
6
 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,
7
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.
8
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.
Fraction volumique de martensite
Austénite
Martensite
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.
9
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.
Déformation superélastique due
à la formation de martensite
Contrainte critique
Déformation élastique habituelle
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
10
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
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 Systèmes rotatifs
La fusion proprement dite est effectuée par un arc électrique ou à induction
Électrode
Lingot de titane
Argon
Canal de coulée
Creuset basculant en cuivre
Joint d’étanchéité
Vide
Moule
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
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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).
13
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
14

1 LE TITANE ET SES ALLIAgES

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