Titane - Titanium

Titane,  22 Ti
Barre en cristal de Titan.JPG
Titane
Prononciation
Apparence gris-blanc argenté métallisé
Poids atomique standard A r, std (Ti) 47.867(1)
Titane dans le tableau périodique
Hydrogène Hélium
Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon
Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon
Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Le fer Cobalt Nickel Le cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon
Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutécium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium Fermium Mendélévie nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flérovium Moscou Livermorium Tennessine Oganesson
-

Ti

Zr
scandiumtitanevanadium
Numéro atomique ( Z ) 22
Grouper groupe 4
Période période 4
Bloquer   d-bloc
Configuration électronique [ Ar ] 3d 2 4s 2
Électrons par coquille 2, 8, 10, 2
Propriétés physiques
Phase à  STP solide
Point de fusion 1941  K ​(1668 °C, ​3034 °F)
Point d'ébullition 3560 K ​(3287 °C, ​5949 °F)
Densité (près de  rt ) 4,506 g / cm 3
quand liquide (au  mp ) 4,11 g / cm 3
Température de fusion 14,15  kJ/mol
Chaleur de vaporisation 425 kJ/mol
Capacité calorifique molaire 25,060 J/(mol·K)
La pression de vapeur
P  (Pa) 1 dix 100 1 kilo 10 kilos 100 000
à  T  (K) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
Propriétés atomiques
États d'oxydation −2, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 (un  oxyde amphotère )
Électronégativité Échelle de Pauling : 1,54
Énergies d'ionisation
Rayon atomique empirique : 147  h
Rayon covalent 160±20h
Lignes de couleur dans une gamme spectrale
Lignes spectrales de titane
Autres propriétés
Occurrence naturelle primordial
Structure en cristal hexagonale compacte (hcp)
Structure cristalline hexagonale compacte pour le titane
Vitesse du son tige mince 5090 m/s (à  rt )
Dilatation thermique 8,6 µm/(m⋅K) (à 25 °C)
Conductivité thermique 21,9 W/(m⋅K)
Résistivité électrique 420 nΩ⋅m (à 20 °C)
Commande magnétique paramagnétique
Susceptibilité magnétique molaire +153,0 × 10 −6  cm 3 /mol (293 K)
Module d'Young 116 GPa
Module de cisaillement 44 GPa
Module de vrac 110 GPa
Coefficient de Poisson 0,32
Dureté de Mohs 6.0
Dureté Vickers 830-3420 MPa
dureté Brinell 716-2770 MPa
Numero CAS 7440-32-6
Histoire
Découverte Guillaume Grégoire (1791)
Premier isolement Jöns Jakob Berzelius (1825)
Nommé par Martin Heinrich Klaproth (1795)
Principaux isotopes du titane
Isotope Abondance Demi-vie ( t 1/2 ) Mode de décomposition Produit
44 Ti syn 63 ans ?? 44 Sc
??
46 Ti 8,25 % stable
47 Ti 7,44 % stable
48 Ti 73,72 % stable
49 Ti 5,41 % stable
50 Ti 5,18 % stable
Catégorie Catégorie : Titane
| les références

Le titane est un élément chimique de symbole Ti et de numéro atomique 22. Son poids atomique est de 47,867 mesuré en daltons . C'est un métal de transition brillant de couleur argentée, de faible densité et de haute résistance, résistant à la corrosion dans l'eau de mer , l' eau régale et le chlore .

Le titane a été découvert à Cornwall , en Grande-Bretagne , par William Gregor en 1791 et a été nommé par Martin Heinrich Klaproth d' après les Titans de la mythologie grecque . L'élément se trouve dans un certain nombre de gisements minéraux , principalement le rutile et l' ilménite , qui sont largement répartis dans la croûte terrestre et la lithosphère ; on le trouve dans presque tous les êtres vivants, ainsi que dans les plans d'eau, les roches et les sols. Le métal est extrait de ses principaux minerais par les procédés Kroll et Hunter . Le composé le plus courant, le dioxyde de titane , est un photocatalyseur populaire et est utilisé dans la fabrication de pigments blancs. D'autres composés comprennent le tétrachlorure de titane (TiCl 4 ), un composant des écrans de fumée et des catalyseurs ; et le trichlorure de titane (TiCl 3 ), qui est utilisé comme catalyseur dans la production de polypropylène .

Le titane peut être allié au fer , à l' aluminium , au vanadium et au molybdène , entre autres éléments, pour produire des alliages solides et légers pour l'aérospatiale ( moteurs à réaction , missiles et engins spatiaux ), les procédés militaires et industriels (produits chimiques et pétrochimiques, usines de dessalement , pâte, et papier), automobile, agriculture (agriculture), prothèses médicales , implants orthopédiques , instruments et limes dentaires et endodontiques, implants dentaires , articles de sport, bijoux, téléphones portables et autres applications.

Les deux propriétés les plus utiles du métal sont la résistance à la corrosion et le rapport résistance/densité, le plus élevé de tous les éléments métalliques. Dans son état non allié, le titane est aussi résistant que certains aciers , mais moins dense. Il existe deux formes allotropiques et cinq isotopes naturels de cet élément, du 46 Ti au 50 Ti, le 48 Ti étant le plus abondant (73,8 %). Bien que le titane et le zirconium aient le même nombre d' électrons de valence et appartiennent au même groupe dans le tableau périodique , ils diffèrent par de nombreuses propriétés chimiques et physiques.

Caractéristiques

Propriétés physiques

En tant que métal , le titane est reconnu pour son rapport résistance/poids élevé . Il est un métal solide à faible densité qui est assez ductile ( en particulier dans un oxygène environnement exempt), brillant et métallique blanc en couleur . Le point de fusion relativement élevé (plus de 1650 °C ou 3000 °F) le rend utile comme métal réfractaire . Il est paramagnétique et a une conductivité électrique et thermique assez faible par rapport aux autres métaux. Le titane est supraconducteur lorsqu'il est refroidi en dessous de sa température critique de 0,49 K.

Les nuances de titane commercialement pures (pures à 99,2 %) ont une résistance à la traction ultime d'environ 434 MPa (63 000 psi ), égale à celle des alliages d'acier ordinaires de qualité inférieure, mais sont moins denses. Le titane est 60 % plus dense que l'aluminium, mais plus de deux fois plus résistant que l' alliage d'aluminium 6061-T6 le plus couramment utilisé . Certains alliages de titane (par exemple, Beta C ) atteignent des résistances à la traction de plus de 1 400 MPa (200 000 psi). Cependant, le titane perd de sa résistance lorsqu'il est chauffé au-dessus de 430 °C (806 °F).

Le titane n'est pas aussi dur que certaines nuances d'acier traité thermiquement; il est non magnétique et mauvais conducteur de chaleur et d'électricité. L'usinage nécessite des précautions, car le matériau peut se gripper à moins d'utiliser des outils tranchants et des méthodes de refroidissement appropriées. Comme les structures en acier, celles en titane ont une limite de fatigue qui garantit la longévité dans certaines applications.

Le métal est un allotrope dimorphe d'une forme hexagonale qui se transforme en une forme cubique centrée sur le corps (réseau) à 882 °C (1 620 °F). La chaleur spécifique de la forme augmente considérablement lorsqu'elle est chauffée à cette température de transition, mais diminue ensuite et reste assez constante pour la forme quelle que soit la température.

Propriétés chimiques

Le diagramme de Pourbaix pour le titane dans l'eau pure, l'acide perchlorique ou l'hydroxyde de sodium

Comme l' aluminium et le magnésium , la surface du titane métallique et de ses alliages s'oxyde immédiatement après exposition à l'air pour former une fine couche de passivation non poreuse qui protège le métal en vrac d'une oxydation ou d'une corrosion supplémentaire. Lors de sa première formation, cette couche protectrice n'a que 1 à 2 nm d' épaisseur mais continue de croître lentement, atteignant une épaisseur de 25 nm en quatre ans. Cette couche confère au titane une excellente résistance à la corrosion, presque équivalente au platine .

Le titane est capable de résister aux attaques des acides sulfurique et chlorhydrique dilués , des solutions de chlorure et de la plupart des acides organiques. Cependant, le titane est corrodé par les acides concentrés. Comme l'indique son potentiel redox négatif, le titane est thermodynamiquement un métal très réactif qui brûle dans une atmosphère normale à des températures inférieures au point de fusion. La fusion n'est possible que sous atmosphère inerte ou sous vide. A 550 °C (1 022 °F), il se combine avec le chlore. Il réagit également avec les autres halogènes et absorbe l'hydrogène.

Le titane réagit facilement avec l'oxygène à 1 200 °C (2 190 °F) dans l'air et à 610 °C (1 130 °F) dans l'oxygène pur, formant du dioxyde de titane . Le titane est l'un des rares éléments qui brûlent dans l'azote pur, réagissant à 800 °C (1 470 °F) pour former du nitrure de titane , ce qui provoque la fragilisation. En raison de sa forte réactivité avec l'oxygène, l'azote et de nombreux autres gaz, le titane évaporé des filaments est à la base des pompes à sublimation en titane , dans lesquelles le titane sert de piégeur pour ces gaz en se liant chimiquement à eux. De telles pompes produisent à peu de frais des pressions extrêmement basses dans des systèmes à ultra-vide .

Occurrence

Le titane est le neuvième plus abondant élément dans la Terre croûte (0,63% en masse ) et le métal de la septième la plus abondante. Il est présent sous forme d'oxydes dans la plupart des roches ignées , dans les sédiments qui en dérivent, dans les êtres vivants et les plans d'eau naturels. Sur les 801 types de roches ignées analysées par le United States Geological Survey , 784 contenaient du titane. Sa proportion dans les sols est d'environ 0,5 à 1,5%.

Les minéraux communs contenant du titane sont l' anatase , la brookite , l' ilménite , la pérovskite , le rutile et la titanite (sphène). L'akaogiite est un minéral extrêmement rare constitué de dioxyde de titane. Parmi ces minéraux, seuls le rutile et l'ilménite ont une importance économique, mais même ils sont difficiles à trouver en concentrations élevées. Environ 6,0 et 0,7 millions de tonnes de ces minéraux ont été extraits en 2011, respectivement. D'importants gisements d'ilménite contenant du titane existent en Australie occidentale , au Canada , en Chine , en Inde , au Mozambique , en Nouvelle-Zélande , en Norvège , en Sierra Leone , en Afrique du Sud et en Ukraine . Environ 186 000 tonnes d' éponge métallique de titane ont été produites en 2011, principalement en Chine (60 000 t), au Japon (56 000 t), en Russie (40 000 t), aux États-Unis (32 000 t) et au Kazakhstan (20 700 t). Les réserves totales de titane sont estimées à plus de 600 millions de tonnes.

2011 production de rutile et d'ilménite
Pays milliers de
tonnes
% Du total
Australie 1 300 19.4
Afrique du Sud 1 160 17.3
Canada 700 10.4
Inde 574 8.6
Mozambique 516 7.7
Chine 500 7.5
Viêt Nam 490 7.3
Ukraine 357 5.3
Monde 6 700 100

La concentration de titane est d'environ 4 picomolaires dans l'océan. A 100 °C, la concentration de titane dans l'eau est estimée à moins de 10 -7 M à pH 7. L'identité des espèces de titane en solution aqueuse reste inconnue en raison de sa faible solubilité et du manque de méthodes spectroscopiques sensibles, bien que seulement l'état d'oxydation 4+ est stable dans l'air. Aucune preuve n'existe pour un rôle biologique, bien que des organismes rares soient connus pour accumuler des concentrations élevées de titane.

Le titane est contenu dans les météorites , et il a été détecté dans le Soleil et dans les étoiles de type M (le type le plus froid) avec une température de surface de 3 200 °C (5 790 °F). Les roches ramenées de la Lune lors de la mission Apollo 17 sont composées de 12,1 % de TiO 2 . Le titane natif (pur métallique) est très rare.

Isotopes

Le titane naturel est composé de cinq isotopes stables : 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti et 50 Ti, le 48 Ti étant le plus abondant (73,8% d'abondance naturelle ). Au moins 21 radio - isotopes ont été caractérisés, dont les plus stables sont le 44 Ti avec une demi-vie de 63 ans ; 45 Ti, 184,8 minutes; 51 Ti, 5,76 minutes; et 52 Ti, 1,7 minute. Tous les autres isotopes radioactifs ont une demi-vie inférieure à 33 secondes, la majorité inférieure à une demi-seconde.

Les isotopes du titane varient en poids atomique de 39,002 u ( 39 Ti) à 63,999 u ( 64 Ti). Le mode de désintégration primaire pour les isotopes plus légers que 46 Ti est l'émission de positons (à l'exception du 44 Ti qui subit une capture d'électrons ), conduisant aux isotopes de scandium , et le mode primaire pour les isotopes plus lourds que 50 Ti est l' émission bêta , conduisant à des isotopes de vanadium .

Le titane devient radioactif lors d'un bombardement avec des deutérons , émettant principalement des positons et des rayons gamma durs .

Composés

Un foret hélicoïdal de couleur acier avec la rainure en spirale colorée dans une teinte dorée.
Étamées forage bits

L' état d'oxydation +4 domine la chimie du titane, mais les composés à l'état d' oxydation +3 sont également courants. Généralement, le titane adopte une géométrie de coordination octaédrique dans ses complexes, mais le TiCl 4 tétraédrique est une exception notable. En raison de son état d'oxydation élevé, les composés du titane (IV) présentent un degré élevé de liaison covalente .

Oxydes, sulfures et alcoxydes

L'oxyde le plus important est TiO 2 , qui existe sous trois polymorphes importants ; anatase , brookite et rutile . Ce sont tous des solides diamagnétiques blancs, bien que les échantillons minéraux puissent apparaître sombres (voir rutile ). Ils adoptent des structures polymères dans lesquelles Ti est entouré de six ligands oxydes qui se lient à d'autres centres Ti.

Le terme titanates fait généralement référence aux composés de titane (IV), tels que représentés par le titanate de baryum (BaTiO 3 ). De structure pérovskite , ce matériau présente des propriétés piézoélectriques et est utilisé comme transducteur dans l'interconversion du son et de l' électricité . De nombreux minéraux sont des titanates, par exemple l' ilménite (FeTiO 3 ). Les saphirs étoilés et les rubis tirent leur astérisme (éclat de formation d'étoiles) de la présence d'impuretés de dioxyde de titane.

Une variété d'oxydes réduits ( sous- oxydes ) de titane sont connus, principalement des stoechiométries réduites de dioxyde de titane obtenues par projection plasma atmosphérique . Ti 3 O 5 , décrit comme une espèce Ti(IV)-Ti(III), est un semi-conducteur violet produit par réduction de TiO 2 avec de l'hydrogène à haute température, et est utilisé industriellement lorsque les surfaces doivent être vaporisées de dioxyde de titane. : il s'évapore sous forme de TiO pur, tandis que TiO 2 s'évapore sous forme de mélange d'oxydes et dépose des revêtements à indice de réfraction variable. On connaît aussi Ti 2 O 3 , à structure corindon , et TiO , à structure sel gemme, bien que souvent non stoechiométrique.

Les alcoxydes de titane (IV), préparés en faisant réagir TiCl 4 avec des alcools, sont des composés incolores qui se transforment en dioxyde lors de la réaction avec l'eau. Ils sont utiles industriellement pour le dépôt de TiO 2 solide via le procédé sol-gel . L'isopropoxyde de titane est utilisé dans la synthèse de composés organiques chiraux via l' époxydation Sharpless .

Le titane forme une variété de sulfures, mais seul le TiS 2 a suscité un intérêt significatif. Il adopte une structure en couches et a été utilisé comme cathode dans le développement de batteries au lithium . Parce que Ti(IV) est un « cation dur » , les sulfures de titane sont instables et ont tendance à s'hydrolyser en oxyde avec libération d'hydrogène sulfuré.

Nitrures et carbures

Le nitrure de titane (TiN) fait partie d'une famille de nitrures de métaux de transition réfractaires et présente des propriétés similaires aux deux composés covalents, notamment une stabilité thermodynamique, une dureté extrême, une conductivité thermique/électrique et un point de fusion élevé. Le TiN a une dureté équivalente au saphir et au carborundum (9,0 sur l' échelle de Mohs ) et est souvent utilisé pour revêtir des outils de coupe, tels que des forets . Il est également utilisé comme finition décorative dorée et comme métal barrière dans la fabrication de semi-conducteurs . Le carbure de titane , également très dur, se retrouve dans les outils de coupe et les revêtements.

Les composés du titane (III) sont typiquement violets, illustrés par cette solution aqueuse de trichlorure de titane .

Halogénures

Le tétrachlorure de titane (chlorure de titane(IV), TiCl 4 ) est un liquide volatil incolore (les échantillons commerciaux sont jaunâtres) qui, à l'air, s'hydrolyse avec une émission spectaculaire de nuages ​​blancs. Via le procédé Kroll , le TiCl 4 est utilisé dans la conversion des minerais de titane en titane métal. Le tétrachlorure de titane est également utilisé pour fabriquer du dioxyde de titane, par exemple pour une utilisation dans la peinture blanche. Il est largement utilisé en chimie organique comme acide de Lewis , par exemple dans la condensation aldol de Mukaiyama . Dans le procédé van Arkel-de Boer , du tétraiodure de titane (TiI 4 ) est généré lors de la production de titane métallique de haute pureté.

Le titane (III) et le titane (II) forment également des chlorures stables. Un exemple notable est le chlorure de titane (III) (TiCl 3 ), qui est utilisé comme catalyseur pour la production de polyoléfines (voir catalyseur Ziegler-Natta ) et comme agent réducteur en chimie organique.

Complexes organométalliques

En raison du rôle important des composés du titane comme catalyseur de polymérisation , les composés avec des liaisons Ti-C ont été intensivement étudiés. Le complexe organotitane le plus courant est le dichlorure de titanocène ((C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 ). Des composés apparentés comprennent le réactif de Tebbe et réactif Petasis . Le titane forme des complexes carbonylés , par exemple (C 5 H 5 ) 2 Ti(CO) 2 .

Études de thérapie anticancéreuse

Suite au succès de la chimiothérapie à base de platine , les complexes de titane (IV) ont été parmi les premiers composés sans platine à être testés pour le traitement du cancer. L'avantage des composés du titane réside dans leur haute efficacité et leur faible toxicité in vivo . Dans les environnements biologiques, l'hydrolyse conduit au dioxyde de titane sûr et inerte. Malgré ces avantages, les premiers composés candidats ont échoué aux essais cliniques en raison d'un rapport efficacité/toxicité insuffisant et de complications de formulation. Un développement ultérieur a abouti à la création de médicaments à base de titane potentiellement efficaces, sélectifs et stables.

Histoire

Le titane a été découvert en 1791 par l' ecclésiastique et géologue amateur William Gregor en tant qu'inclusion d'un minéral à Cornwall , en Grande-Bretagne. Gregor a reconnu la présence d'un nouvel élément dans l' ilménite lorsqu'il a trouvé du sable noir près d'un ruisseau et a remarqué que le sable était attiré par un aimant . En analysant le sable, il a déterminé la présence de deux oxydes métalliques : de l'oxyde de fer (expliquant l'attraction de l'aimant) et 45,25% d'un oxyde métallique blanc qu'il n'a pas pu identifier. Réalisant que l'oxyde non identifié contenait un métal qui ne correspond à aucun élément connu, Gregor a rapporté ses découvertes à la Royal Geological Society of Cornwall et dans la revue scientifique allemande Crell's Annalen .

Vers la même époque, Franz-Joseph Müller von Reichenstein a produit une substance similaire, mais n'a pas pu l'identifier. L'oxyde a été redécouvert indépendamment en 1795 par le chimiste prussien Martin Heinrich Klaproth en rutile de Boinik (le nom allemand de Bajmócska), un village de Hongrie (aujourd'hui Bojničky en Slovaquie). Klaproth a découvert qu'il contenait un nouvel élément et l'a nommé pour les Titans de la mythologie grecque . Après avoir entendu parler de la découverte antérieure de Gregor, il a obtenu un échantillon de manaccanite et a confirmé qu'il contenait du titane.

Les procédés actuellement connus pour extraire le titane de ses différents minerais sont laborieux et coûteux ; il n'est pas possible de réduire le minerai par chauffage au carbone (comme dans la fonte du fer) car le titane se combine avec le carbone pour produire du carbure de titane . Le titane métallique pur (99,9%) a été préparé pour la première fois en 1910 par Matthew A. Hunter à l'Institut polytechnique Rensselaer en chauffant TiCl 4 avec du sodium à 700-800 ° C sous haute pression dans un procédé discontinu connu sous le nom de procédé Hunter . Le titane métal n'a pas été utilisé en dehors du laboratoire jusqu'en 1932 lorsque William Justin Kroll l'a produit en réduisant le tétrachlorure de titane (TiCl 4 ) avec du calcium . Huit ans plus tard, il a raffiné ce procédé avec du magnésium et du sodium dans ce qui est devenu le procédé Kroll . Bien que la recherche continue de rechercher des procédés moins chers et plus efficaces (par exemple FFC Cambridge , Armstrong ), le procédé Kroll est toujours utilisé pour la production commerciale.

Éponge de titane, fabriquée par le procédé Kroll

Le titane de très haute pureté a été fabriqué en petites quantités lorsqu'Anton Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer ont découvert le procédé à l' iodure en 1925, en réagissant avec l'iode et en décomposant les vapeurs formées sur un filament chaud en métal pur.

Dans les années 1950 et 1960, l'Union soviétique a été pionnière dans l'utilisation du titane dans des applications militaires et sous-marines ( classe Alfa et classe Mike ) dans le cadre de programmes liés à la guerre froide. À partir du début des années 1950, le titane a été largement utilisé dans l'aviation militaire, en particulier dans les avions à réaction haute performance, à commencer par des avions tels que le F-100 Super Sabre et les Lockheed A-12 et SR-71 .

Tout au long de la période de la guerre froide, le titane était considéré comme un matériau stratégique par le gouvernement américain, et un important stock d' éponge de titane (une forme poreuse du métal pur) était maintenu par le Defense National Stockpile Center , jusqu'à ce que le stock soit dispersé dans les années 2000. . En 2006, la société russe VSMPO-AVISMA était le plus grand producteur mondial, représentant environ 29 % du marché mondial. En 2015, les sept pays qui produisaient une éponge de titane étaient, par ordre de production, la Chine, le Japon, la Russie, le Kazakhstan, les États-Unis, l'Ukraine et l'Inde.

Production

Un petit tas de grains noirs uniformes de moins de 1 mm de diamètre.
Titane (concentré minéral)
Produits de base en titane : plaque, tube, tiges et poudre

Le traitement du titane métallique se déroule en quatre étapes principales : la réduction du minerai de titane en « éponge », une forme poreuse ; fusion d'une éponge ou d'une éponge plus un alliage maître pour former un lingot ; fabrication primaire, où un lingot est converti en produits de laminage généraux tels que billettes , barres, tôles , tôles , bandes et tubes ; et la fabrication secondaire de formes finies à partir de produits d'usine.

Parce qu'il ne peut pas être facilement produit par réduction du dioxyde de titane , le titane métal est obtenu par réduction de TiCl 4 avec du magnésium métal dans le procédé Kroll . La complexité de cette production par lots dans le procédé Kroll explique la valeur marchande relativement élevée du titane, bien que le procédé Kroll soit moins cher que le procédé Hunter . Pour produire le TiCl 4 requis par le procédé Kroll, le dioxyde est soumis à une réduction carbothermique en présence de chlore . Dans ce processus, le chlore gazeux est passé sur un mélange chauffé au rouge de rutile ou d' ilménite en présence de carbone. Après une purification poussée par distillation fractionnée , le TiCl 4 est réduit avec du magnésium fondu à 800 °C (1 470 °F) dans une atmosphère d' argon . Le titane métallique peut être purifié davantage par le procédé van Arkel-de Boer , qui implique la décomposition thermique du tétraiodure de titane.

2 FeTiO 3 + 7 Cl 2 + 6 C → 2 TiCl 4 + 2 FeCl 3 + 6 CO (900 °C)
TiCl 4 + 2 Mg → 2 MgCl 2 + Ti (1 100 °C)

Une méthode de production par lots plus récemment mise au point, le procédé FFC Cambridge , réduit électrochimiquement le dioxyde de titane dans du chlorure de calcium fondu pour produire du titane métallique sous forme de poudre ou d'éponge. Si des poudres d'oxydes mixtes sont utilisées, le produit est un alliage .

Les alliages de titane courants sont fabriqués par réduction. Par exemple, le cuprotitane (le rutile avec du cuivre ajouté est réduit), le titane ferrocarboné (ilménite réduit avec du coke dans un four électrique) et le manganotitane (le rutile avec du manganèse ou des oxydes de manganèse) sont réduits.

Une cinquantaine de nuances d' alliages de titane sont conçues et actuellement utilisées, bien que seules quelques douzaines soient facilement disponibles dans le commerce. L' ASTM International reconnaît 31 qualités de métal et d'alliages de titane, dont les qualités un à quatre sont commercialement pures (non alliées). Ces quatre varient en résistance à la traction en fonction de la teneur en oxygène , le grade 1 étant le plus ductile (résistance à la traction la plus faible avec une teneur en oxygène de 0,18 %) et le grade 4 le moins ductile (résistance à la traction la plus élevée avec une teneur en oxygène de 0,40 % ). Les nuances restantes sont des alliages, chacun conçu pour des propriétés spécifiques de ductilité, de résistance, de dureté, de résistivité électrique, de résistance au fluage, de résistance à la corrosion spécifique et leurs combinaisons.

En plus des spécifications ASTM, les alliages de titane sont également produits pour répondre aux spécifications aérospatiales et militaires (SAE-AMS, MIL-T), aux normes ISO et aux spécifications spécifiques à chaque pays, ainsi qu'aux spécifications exclusives de l'utilisateur final pour l'aérospatiale, l'armée, applications médicales et industrielles.

La poudre de titane est fabriquée à l'aide d'un processus de production en flux connu sous le nom de processus Armstrong qui est similaire au processus Hunter de production par lots. Un courant de gaz tétrachlorure de titane est ajouté à un courant de sodium fondu ; les produits (sel de chlorure de sodium et particules de titane) sont filtrés du sodium supplémentaire. Le titane est ensuite séparé du sel par lavage à l'eau. Le sodium et le chlore sont tous deux recyclés pour produire et traiter davantage de tétrachlorure de titane.

Fabrication

Tout soudage du titane doit être effectué dans une atmosphère inerte d' argon ou d' hélium pour le protéger de la contamination par les gaz atmosphériques (oxygène, azote et hydrogène). La contamination provoque une variété de conditions, telles que la fragilisation , qui réduisent l'intégrité des soudures d'assemblage et conduisent à la défaillance des joints.

Le titane ne peut pas être soudé sans l'avoir préalablement plaqué dans un métal soudable . Le métal peut être usiné avec le même équipement et les mêmes procédés que l' inox .

Formage et forgeage

Un produit plat commercialement pur (feuille, plaque) peut être facilement formé, mais le traitement doit tenir compte de la tendance du métal à rebondir . Ceci est particulièrement vrai pour certains alliages à haute résistance. L'exposition à l'oxygène de l'air aux températures élevées utilisées dans le forgeage entraîne la formation d'une couche superficielle métallique fragile et riche en oxygène appelée « boîtier alpha » qui aggrave les propriétés de fatigue, elle doit donc être éliminée par fraisage, gravure ou traitement électrochimique.

Applications

Un cylindre en titane de qualité "grade 2"

Le titane est utilisé dans l'acier comme élément d'alliage ( ferro-titane ) pour réduire la taille des grains et comme désoxydant, et dans l'acier inoxydable pour réduire la teneur en carbone. Le titane est souvent allié à de l'aluminium (pour affiner la taille des grains), du vanadium , du cuivre (pour durcir), du fer , du manganèse , du molybdène et d'autres métaux. Les produits de broyage en titane (tôles, plaques, barres, fils, pièces forgées, pièces moulées) trouvent des applications dans les marchés industriels, aérospatiaux, récréatifs et émergents. Le titane en poudre est utilisé en pyrotechnie comme source de particules brûlantes.

Pigments, additifs et revêtements

Verre de montre sur une surface noire avec une petite portion de poudre blanche
Le dioxyde de titane est le composé le plus couramment utilisé du titane

Environ 95% de tout le minerai de titane est destiné au raffinage en dioxyde de titane ( Ti O
2
), un pigment permanent intensément blanc utilisé dans les peintures, le papier, le dentifrice et les plastiques. Il est également utilisé dans le ciment, dans les pierres précieuses, comme opacifiant optique dans le papier et comme agent de renforcement dans les cannes à pêche et les clubs de golf en composite de graphite.

TiO
2
Le pigment est chimiquement inerte, résiste à la décoloration au soleil et est très opaque : il confère une couleur blanche pure et brillante aux produits chimiques bruns ou gris qui forment la majorité des plastiques ménagers. Dans la nature, ce composé se trouve dans les minéraux anatase , brookite et rutile. La peinture à base de dioxyde de titane résiste bien aux températures extrêmes et aux environnements marins. Le dioxyde de titane pur a un indice de réfraction très élevé et une dispersion optique supérieure à celle du diamant . En plus d'être un pigment très important, le dioxyde de titane est également utilisé dans les écrans solaires.

Aéronautique et marine

Parce que les alliages de titane ont un rapport résistance à la traction /densité élevé, une résistance élevée à la corrosion, une résistance à la fatigue, une résistance élevée aux fissures et une capacité à résister à des températures modérément élevées sans fluage , ils sont utilisés dans les avions, les blindages, les navires, les engins spatiaux et les missiles. Pour ces applications, le titane est allié à de l'aluminium, du zirconium, du nickel, du vanadium et d'autres éléments pour fabriquer une variété de composants, notamment des pièces structurelles critiques, des murs coupe-feu, des trains d'atterrissage , des conduits d'échappement (hélicoptères) et des systèmes hydrauliques. En fait, environ les deux tiers de tout le titane métallique produit sont utilisés dans les moteurs et les châssis d'avion. L' alliage de titane 6AL-4V représente près de 50 % de tous les alliages utilisés dans les applications aéronautiques.

Le Lockheed A-12 et son développement le SR-71 "Blackbird" ont été deux des premiers châssis d'avion où le titane a été utilisé, ouvrant la voie à une utilisation beaucoup plus large dans les avions militaires et commerciaux modernes. On estime que 59 tonnes métriques (130 000 livres) sont utilisées dans le Boeing 777 , 45 dans le Boeing 747 , 18 dans le Boeing 737 , 32 dans l' Airbus A340 , 18 dans l' Airbus A330 et 12 dans l' Airbus A320 . L' Airbus A380 peut utiliser 77 tonnes, dont environ 11 tonnes dans les moteurs. Dans les applications de moteurs aéronautiques, le titane est utilisé pour les rotors, les aubes de compresseur, les composants du système hydraulique et les nacelles . Une première utilisation dans les moteurs à réaction était pour l' Orenda Iroquois dans les années 1950.

Parce que le titane est résistant à la corrosion par l'eau de mer, il est utilisé pour fabriquer des arbres d'hélice, des gréements et des échangeurs de chaleur dans les usines de dessalement ; réchauffeurs-refroidisseurs pour aquariums d'eau salée, ligne et bas de ligne de pêche, et couteaux de plongeurs. Le titane est utilisé dans les boîtiers et les composants des dispositifs de surveillance et de contrôle déployés dans l'océan pour la science et l'armée. L'ex- Union soviétique a développé des techniques pour fabriquer des sous-marins avec des coques en alliages de titane forgeant du titane dans d'énormes tubes à vide.

Le titane est utilisé dans les murs de la chambre forte du vaisseau spatial Juno pour protéger l'électronique embarquée.

Industriel

Titane de haute pureté (99,999 %) avec cristallites visibles

Les tuyaux en titane soudé et les équipements de traitement (échangeurs de chaleur, réservoirs, cuves de traitement, vannes) sont utilisés dans les industries chimiques et pétrochimiques principalement pour la résistance à la corrosion. Des alliages spécifiques sont utilisés dans les applications de fond de puits de pétrole et de gaz et dans l' hydrométallurgie du nickel pour leur haute résistance (par exemple : alliage de titane bêta C), leur résistance à la corrosion, ou les deux. L' industrie des pâtes et papiers utilise du titane dans l'équipement de traitement exposé à des milieux corrosifs, tels que l'hypochlorite de sodium ou le chlore gazeux humide (dans la blanchiment). D' autres applications comprennent le soudage par ultrasons , soudage à la vague et de pulvérisation cibles.

Le tétrachlorure de titane (TiCl 4 ), un liquide incolore, est un intermédiaire important dans le processus de fabrication du TiO 2 et est également utilisé pour produire le catalyseur Ziegler-Natta . Le tétrachlorure de titane est également utilisé pour iriser le verre et, parce qu'il fume fortement dans l'air humide, il est utilisé pour fabriquer des écrans de fumée.

Consommateur et architectural

Le titane métallique est utilisé dans les applications automobiles, en particulier dans les courses automobiles et de motos où un faible poids et une résistance et une rigidité élevées sont essentielles. Le métal est généralement trop cher pour le marché grand public, bien que certains modèles récents de Corvette aient été fabriqués avec des échappements en titane, et le moteur suralimenté LT4 d' une Corvette Z06 utilise des soupapes d'admission en titane léger et solide pour une plus grande résistance et résistance à la chaleur.

Le titane est utilisé dans de nombreux articles de sport : raquettes de tennis, clubs de golf, manches de crosse ; grilles pour casques de cricket, de hockey, de crosse et de football, et cadres et composants de bicyclettes. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un matériau courant pour la production de vélos, les vélos en titane ont été utilisés par des équipes de course et des cyclistes d'aventure .

Les alliages de titane sont utilisés dans les montures de lunettes qui sont plutôt chères mais très durables, durables, légères et ne provoquent aucune allergie cutanée. De nombreux routards utilisent des équipements en titane, notamment des ustensiles de cuisine, des ustensiles de cuisine, des lanternes et des piquets de tente. Bien que légèrement plus chers que les alternatives traditionnelles en acier ou en aluminium, les produits en titane peuvent être nettement plus légers sans compromettre la résistance. Les fers à cheval en titane sont préférés à l'acier par les maréchaux - ferrants car ils sont plus légers et plus durables.

Revêtement de titane de Frank Gehry de Musée Guggenheim , Bilbao

Le titane a parfois été utilisé en architecture. Le monument de 42,5 m (139 pi) à Youri Gagarine , le premier homme à avoir voyagé dans l'espace ( 55°42′29,7″N 37°34′57,2″E / 55,708250°N 37,582556°E / 55.708250; 37.582556 ), ainsi que le monument aux conquérants de 110 m (360 pi) de l'espace au-dessus du musée des cosmonautes de Moscou sont en titane pour la couleur attrayante du métal et son association avec la fusée. Le musée Guggenheim Bilbao et la bibliothèque Cerritos Millennium ont été les premiers bâtiments d'Europe et d'Amérique du Nord, respectivement, à être revêtus de panneaux de titane. Un revêtement en titane a été utilisé dans le bâtiment Frederic C. Hamilton à Denver, Colorado.

En raison de la résistance supérieure et de la légèreté du titane par rapport aux autres métaux (acier, acier inoxydable et aluminium) et en raison des récents progrès des techniques de travail des métaux, son utilisation s'est généralisée dans la fabrication d'armes à feu. Les utilisations principales incluent les cadres de pistolet et les cylindres de revolver. Pour les mêmes raisons, il est utilisé dans le corps des ordinateurs portables (par exemple, dans la gamme PowerBook d' Apple ).

Certains outils haut de gamme légers et résistants à la corrosion, tels que les pelles et les lampes de poche, sont fabriqués en titane ou en alliages de titane.

Bijoux

Relation entre la tension et la couleur pour le titane anodisé. (Cateb, 2010).

En raison de sa durabilité, le titane est devenu plus populaire pour les bijoux de créateurs (en particulier les bagues en titane ). Son inertie en fait un bon choix pour les personnes allergiques ou celles qui porteront les bijoux dans des environnements tels que les piscines. Le titane est également allié à l'or pour produire un alliage qui peut être commercialisé sous le nom d' or 24 carats car le 1% de Ti allié est insuffisant pour exiger une marque moindre. L'alliage résultant a à peu près la dureté de l'or 14 carats et est plus durable que l'or pur 24 carats.

La durabilité, la légèreté et la résistance aux bosses et à la corrosion du titane le rendent utile pour les boîtiers de montre . Certains artistes travaillent le titane pour réaliser des sculptures, des objets de décoration et du mobilier.

Le titane peut être anodisé pour faire varier l'épaisseur de la couche d'oxyde de surface, provoquant des franges d'interférence optique et une variété de couleurs vives. Avec cette coloration et cette inertie chimique, le titane est un métal apprécié pour le perçage corporel .

Le titane a une utilisation mineure dans les pièces et médailles dédiées non circulantes. En 1999, Gibraltar a publié la première pièce de monnaie en titane au monde pour la célébration du millénaire. Les Gold Coast Titans , une équipe australienne de rugby à XIII, décernent une médaille en titane pur à leur joueur de l'année.

Médical

Parce que le titane est biocompatible (non toxique et non rejeté par le corps), il a de nombreuses utilisations médicales, y compris les instruments chirurgicaux et les implants, tels que les boules et emboîtures de la hanche ( remplacement articulaire ) et les implants dentaires qui peuvent rester en place jusqu'à 20 années. Le titane est souvent allié avec environ 4 % d'aluminium ou 6 % d'aluminium et 4 % de vanadium.

Vis et plaque médicales utilisées pour réparer les fractures du poignet. L'échelle est en centimètres.

Le titane a la capacité inhérente d' ostéointégration , permettant une utilisation dans des implants dentaires qui peuvent durer plus de 30 ans. Cette propriété est également utile pour les applications d' implants orthopédiques . Ceux-ci bénéficient du module d'élasticité inférieur du titane (module de Young ) pour mieux correspondre à celui de l'os que ces dispositifs sont destinés à réparer. En conséquence, les charges squelettiques sont réparties plus uniformément entre l'os et l'implant, ce qui entraîne une incidence plus faible de dégradation osseuse due au stress shielding et aux fractures osseuses périprothétiques , qui se produisent aux limites des implants orthopédiques. Cependant, la rigidité des alliages de titane est encore plus de deux fois supérieure à celle de l'os, de sorte que l'os adjacent supporte une charge considérablement réduite et peut se détériorer.

Le titane étant non ferromagnétique , les patients porteurs d'implants en titane peuvent être examinés en toute sécurité par imagerie par résonance magnétique (pratique pour les implants à long terme). La préparation du titane pour l'implantation dans le corps consiste à le soumettre à un arc plasma à haute température qui élimine les atomes de surface, exposant ainsi du titane frais qui est instantanément oxydé.

Les progrès modernes des techniques de fabrication additive ont accru le potentiel d'utilisation du titane dans les applications d'implants orthopédiques. Les conceptions d'échafaudages d'implants complexes peuvent être imprimées en 3D à l'aide d'alliages de titane, ce qui permet des applications plus spécifiques au patient et une ostéointégration accrue de l'implant.

Le titane est utilisé pour les instruments chirurgicaux utilisés en chirurgie guidée par l' image , ainsi que pour les fauteuils roulants, les béquilles et tout autre produit où une résistance élevée et un faible poids sont souhaitables.

Les nanoparticules de dioxyde de titane sont largement utilisées dans l'électronique et la livraison de produits pharmaceutiques et cosmétiques.

Stockage des déchets nucléaires

En raison de sa résistance à la corrosion, les conteneurs en titane ont été étudiés pour le stockage à long terme des déchets nucléaires. Les conteneurs d'une durée de vie de plus de 100 000 ans sont considérés comme possibles avec des conditions de fabrication qui minimisent les défauts de matériaux. Un "écran anti-gouttes" en titane pourrait également être installé sur des conteneurs d'autres types pour améliorer leur longévité.

Précautions

Le titane est non toxique même à fortes doses et ne joue aucun rôle naturel à l'intérieur du corps humain . Une quantité estimée de 0,8 milligramme de titane est ingérée par l'homme chaque jour, mais la plupart passent sans être absorbées dans les tissus. Cependant, il se bio-accumule parfois dans les tissus contenant de la silice . Une étude indique un lien possible entre le titane et le syndrome des ongles jaunes .

Sous forme de poudre ou de copeaux de métal, le titane métallique présente un risque d'incendie important et, lorsqu'il est chauffé à l' air , un risque d'explosion. L'eau et le dioxyde de carbone sont inefficaces pour éteindre un feu de titane ; Des agents en poudre sèche de classe D doivent être utilisés à la place.

Lorsqu'il est utilisé dans la production ou la manipulation de chlore , le titane ne doit pas être exposé à du chlore gazeux sec car cela peut provoquer un incendie de titane-chlore.

Le titane peut s'enflammer lorsqu'une surface fraîche et non oxydée entre en contact avec de l'oxygène liquide .

Fonction dans les plantes

Les feuilles elliptiques dentelées vert foncé d'une ortie
Les orties contiennent jusqu'à 80 parties par million de titane.

Un mécanisme inconnu chez les plantes peut utiliser le titane pour stimuler la production de glucides et favoriser la croissance. Cela peut expliquer pourquoi la plupart des plantes contiennent environ 1 partie par million (ppm) de titane, les plantes alimentaires en contiennent environ 2 ppm, et la prêle et l' ortie en contiennent jusqu'à 80 ppm.

Voir également

Les références

Bibliographie

Liens externes

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