Le GR5 (Ti-6Al-4V) est « l'acier inoxydable 301 » des alliages de titane. Il est largement utilisé et possède une large gamme d'applications. Des corps de fusée aux implants osseux humains, le GR5 est omniprésent. Quelles sont les différences fondamentales entre celui-ci et le titane pur ?
Conception de composition GR5
Composition GR5 : Aluminium à base de titane-5,5-6,5 %, Vanadium 3,5-4,5 %. L'aluminium est un -élément stabilisant-améliorant la résistance et la résistance à la température. Le vanadium est un -élément stabilisant-permettant à l'alliage de maintenir une structure + biphasée-à température ambiante. La phase garantit une stabilité à haute température-, tandis que la phase garantit une résistance à température ambiante. Cette structure à deux phases est la clé de l’équilibre des performances du GR5.
Les GR1/GR2 sont des alliages monophasés--à faible résistance (résistance à la traction GR2 345 MPa) mais à bonne plasticité, principalement utilisés dans les équipements chimiques et les échangeurs de chaleur à plaques. Le GR5 a une résistance à la traction de 950 MPa, soit 2,7 fois celle du GR2, mais son allongement n'est que la moitié de celui du GR2.
Applications aérospatiales
Réservoirs de carburant de fusée : les réservoirs de carburant du SpaceX Falcon 9 utilisent un alliage d'aluminium 2219, mais la coque du moteur du deuxième étage-utilise du GR5 : la résistance des alliages d'aluminium diminue trop à haute température. GR5 cède à 500 MPa à 400 degrés, soit le double de celui de 2219.
Support et fixations satellite : GR5 a une densité de 4,43 g/cm³, soit 56 % de celle de l'acier. Chaque kilogramme de réduction de poids dans un satellite permet d'économiser 10 000 $ en coûts de lancement-Le remplacement des fixations en acier par GR5 est un choix économique pour réduire le poids. Le remplacement des boulons 17-4PH par du GR5 dans la section cryogénique du moteur entraîne une réduction de poids de 44 %.
Implants médicaux
Le GR5 est un matériau standard pour les implants orthopédiques-les articulations de la hanche, les articulations du genou, les plaques osseuses et les implants dentaires. Trois raisons : une bonne biocompatibilité (un film de TiO2 se forme spontanément à la surface du titane, non-toxique et non-rejetant) ; un module d'élasticité de 110 GPa, 55 % d'alliages de cobalt-chrome-plus proches des 20-30 GPa de l'os, réduisant les effets de protection contre le stress ; et une résistance de 950 MPa, répondant aux exigences de charge.
Cependant, le module d'élasticité du GR5 est toujours plus élevé que l'implantation osseuse-à long terme-peut provoquer une résorption osseuse. Actuellement, le GR5 poreux (imprimé en 3D avec une porosité de 50 à 70 %) peut réduire le module d'élasticité à 15-30 GPa, plus proche de l'os spongieux.
Les défis d'usinage du GR5
Température de coupe élevée de l'alliage de titane – La conductivité thermique du titane n'est que de 1/4 de celle de l'acier, concentrant la chaleur de coupe sur l'arête de coupe et provoquant une usure rapide de l'outil. Le tournage du GR5 avec des outils carbure nécessite une vitesse linéaire de 40 m/min, soit 1/3 de la vitesse requise pour l'usinage de l'acier inoxydable 304. Un liquide de refroidissement contenant du chlore- est nécessaire – les émulsions ordinaires sont inefficaces.