Les composés à base de titane
Le titane métallique est rare et cher. Toutefois, le dioxyde de titane est accessible à des prix moins élevés. Il est suffisamment abondant. On en trouve notamment sous forme de pigment blanc utilisé dans la production des plastiques et des peintures. Cette poudre de TiO2 est connue pour son inertie. Elle est particulièrement opaque et résistante à la lumière naturelle. Il est à noter que le dioxyde de titane pur affiche un indice de réfraction élevé, soit 2,70 à λ = 590 nm. D’ailleurs, il possède une dispersion optique supérieure à celle du diamant.
Les précautions et la toxicologie
Le titane sous forme métallique est grandement inflammable. Les sels de titane sont considérés comme un produit non dangereux. Les composés chlorés tels que le TiCl3 et le TiCl4 peuvent être corrodés. Le titane ne joue aucun rôle biologique. Cependant, il peut se déposer dans les tissus vivants en présence du silicium.
Les origines du titane
Le titane n’est pas considéré comme une substance rare sur la Terre. Il est classé au neuvième rang des éléments les plus abondants dans la croûte terrestre. Il tient d’ailleurs la cinquième place parmi les métaux les plus abondants. Sa teneur moyenne dans la croûte terrestre s’établit à 0,63 %.
Ce métal est présent dans le Soleil, les météorites et les étoiles, ainsi que dans le charbon, le corps humain et les plantes. Ses raies sont fortement notables pour les étoiles de type M. Lors de la mission spatiale « Apollo 17 », des roches ont été importées de la Lune et celles-ci sont constituées à 12,1 % de TiO2.
Par ailleurs, la majorité de minéraux, de sols et de roches renferme de petites quantités de titane. En effet, 87 minéraux ou roches contiennent au moins 1 % de titane. En revanche, il existe peu de minerais riches en titane, en l’occurrence :
- la brookite, l’anatase, le rutile et le leucoxène qui sont riches en TiO2 ;
- l’ilménite renfermant du FeTiO3 ;
- la perovskite riche en CaTiO3 ;
- la titanite ou la sphène contenant du CaTiO(SiO4) ;
- la titanomagnétite riche en Fe(Ti)Fe2O4.
Le titane présent sur la Terre est majoritairement sous forme d’anatase ou de titanomagnétite. Le problème est que l’exploitation de ces deux minerais n’est pas économiquement intéressante si l’on se sert des technologies modernes. Seuls le rutile, l’ilménite et le leucoxène sont faciles à exploiter et à traiter. Ils permettent donc de réaliser de grands bénéfices.
Les gisements de titane dans le monde
Les principaux gisements de titane se trouvent en Australie, en Amérique du Nord, en Scandinavie, à Madagascar, en Russie, en Malaisie, en Chine, en Inde et en Afrique du Sud. La réserve mondiale totale de ce métal serait de deux milliards de tonnes. Cela inclut la réserve qui ne peut être exploitée économiquement et/ou technologiquement. En 2005, les réserves prouvées d’ilménite et de rutile riche en dioxyde de titaneutilisable et exploitable s’élevaient à 600 millions de tonnes (chiffre de l’U.S. Geological Survey). Elles étaient réparties comme suit :
- 26 % en Chine ;
- 20 % en Australie ;
- 17 % en Afrique du Sud ;
- 15 % en Inde ;
- 4 % en Norvège ;
- 4 % aux États-Unis ;
- 3 % au Canada ;
- 1 % au Brésil ;
- 1 % en Ukraine.
Les 9 % restants sont dispersés dans divers autres pays.
Les enjeux économiques
Les producteurs de titane à haute pureté sont peu nombreux. De plus, ils se concentrent dans les régions où la demande intérieure est forte. Ce métal constitue un matériau stratégique pour certains secteurs, dont le militaire, l’aéronautique et la filière d’énergie. Ainsi, les pays industrialisés possèdent leur propre industrie de production de titane. Récemment, la Chine et l’Inde commencent aussi à produire du titane pour soutenir leurs plans pluriannuels de développement de l’industrie de défense. Les capacités réelles de production de chaque pays restent floues du fait que les produits finis sont destinés à répondre aux besoins stratégiques intérieurs.
Grâce au développement de l’industrie dans le monde libéral, les producteurs occidentaux avaient l’opportunité d’augmenter leur offre jusqu’à ce que ceux des pays de l’ex-URSS viennent les concurrencer. Jusqu’en 1990, les prix du titane sur le marché dépendent des coûts de production des pays occidentaux (États-Unis, Japon et Europe de l’ouest). Ils étaient également basés sur le positionnement par spécialisation de produits de ces producteurs, conduisant à un certain lobbying. En 2021, la production mondiale totale de titane métallique est estimée à plus de 20 milliards de dollars américains.
Les nouveaux fournisseurs de titane
L’émergence des fournisseurs russes, ukrainiens et chinois a apporté un grand changement sur le marché. Les États-Unis et le Japon dominent le marché. Ainsi, les nouveaux producteurs sont contraints de proposer des prix plus bas pour avoir des parts de marché. Cette baisse de prix est possible en raison des coûts de production plus maîtrisés. Dans ce contexte de concurrence féroce, l’offre se diversifie. Il est bon de noter que la France figure parmi les grands importateurs de titane dans le monde.
En 2022, la Chine est considérée comme le premier producteur de matériaux en titane (lingot, plaque, bobine, tube…). Elle a assuré presque la moitié de la production mondiale. La hausse de la demande de produits aérospatiaux et chimiques a entraîné une augmentation des prix du titane. Il convient aussi de souligner l’usage de dérivés de ce métal dans la fabrication des solutions d’énergies alternatives. Cela pourrait faire grimper davantage les prix qui sont aujourd’hui basés sur le marché chinois. En août 2022, à titre indicatif, les lingots de titane de niveau 1 coûtaient en moyenne 87 à 90 ¥/kg. Même si le titane chinois domine le marché, sa qualité ne convient pas à l’industrie aéronautique.
Les usages du titane
Le titane est utilisé dans plusieurs secteurs, notamment le militaire, l’aérospatiale, l’aéronautique, le sport, la médecine et l’industrie.
La fabrication des pigments, des additifs et des revêtements
La forme de titane la plus fréquemment utilisée est le dioxyde de titane (TiO2). En effet, en 2017, 95 % du minerai de titane mondial, notamment l’anatase, était traité pour produire du dioxyde de titane. Ce pigment constitue un composant important des peintures pour les murs des bâtiments, les matières plastiques, les produits médicamenteux, le papier, etc.
Notons que la peinture à base de dioxyde de titane est résistante à de hautes températures et aux agressions corrosives des milieux marins. Elle est également un excellent réflecteur des rayons infrarouges. C’est pourquoi ce type de peinture est grandement employé par les astronomes.
Certains dispositifs de dépollution se servent de l’une des formes du dioxyde de titane comme un photocatalyseur de réactions chimiques. En raison de son caractère inerte, ce composé substitue aussi à la céruse, qui est bannie à cause de sa toxicité. Il entre donc dans les compositions de certains médicaments, cosmétiques et produits alimentaires.
Il convient toutefois de préciser que, depuis 2021, l’Autorité européenne de sécurité des aliments considère le TiO2 comme dangereux en tant qu’additif alimentaire. Cela est dû au fait que ce composé agit comme catalyseur dans des réactions chimiques.
Le dioxyde de titane sous forme nanoparticulaire joue le rôle de filtre ultraviolet dans certaines crèmes solaires. Grâce à son opacité, il possède un pouvoir couvrant exceptionnel. Il résiste au temps et à la décoloration en cas d’exposition au soleil. Il rend plus claires et brillantes les substances chimiques brunes ou grises qui sont utilisées pour fabriquer des articles ménagers en plastique.
Les utilisations sous forme métalliques
Le titane sous forme de métal s’impose aujourd’hui comme une alternative économique qui permet de limiter les coûts d’exploitation. Il est particulièrement rentable lorsque les concepteurs considèrent seulement les propriétés et les caractéristiques spécifiques de ce matériau. En revanche, ce choix est à éviter si les fabricants veulent s’en servir pour remplacer un autre métal. Dans ces, il n’est pas du tout rentable.
À titre d’exemple, dans des exploitations pétrolières offshore, les coûts de fabrication et d’installation des tubes de forage en titane sont deux fois moins chers que ceux des tubes en acier. De plus, grâce à la résistance à la corrosion du titane, les coûts liés aux opérations de revêtement des tubes sont plus réduits. Ce matériau est d’ailleurs trois à cinq fois plus durable que l’acier. La valeur de sa résistance spécifique élevée est idéale pour garantir la finesse et la légèreté des tubes.
L’aéronautique commerciale
L’aéronautique figure parmi les domaines d’application du titane les plus anciens. Cet élément y est vraiment sollicité pour ses caractéristiques spécifiques. À notre ère, il représente 6 à 9 % de la masse des avions. Il sert surtout à fabriquer des pièces forgées et des pièces coulées. Dans l’aéronautique, les moules en céramique des pièces coulées de titane sont fabriqués via une technique de cire perdue :
- soit au départ de pièces imprimées en 3D ;
- soit au départ de moules en acier.
En revanche, les moules en sable comprimé sont utilisés pour réaliser de grosses pièces telles que les canons et les pompes. Ainsi, la coulée s’effectue par centrifugation ou par gravité. Certains fabricants recourent d’ailleurs à des techniques d’impression 3D au départ de poudre de titane.
Le titane est également utilisé pour réaliser des boulons, des écrous et des éléments de moteurs (aubes de compresseurs, disques de compresseurs, aubes Fan, carter Fan, carters structuraux…). Dans ces cas, la température maximale d’utilisation est fixée à 600 °C. Le titane peut se former à 800 °C. Sa superplasticité qui se forme à 920 °C offre la possibilité d’avoir des formes encore plus sophistiquées. Par ailleurs, le titane est employé en tant qu’élément de structure lorsque des composites au carbone sont présents.
L’aérospatial
Le titane constituait l’un des composants de fabrication d’éléments du moteur Vulcain d’Ariane 5. Il était mélangé au composé H2 / O2 et à sa combustion. Ainsi, d’un côté, les rouets centrifuges subissent des températures cryogéniques et de l’autre, des températures de la combustion.
Ce métal de transition est également le matériau constituant du réservoir aux gaz de propulsion pour les satellites. Il est notamment sollicité pour ses propriétés cryogéniques élevées et sa grande tenue à la corrosion. Par ailleurs, il est utilisé pour réaliser des outils embarqués dans les stations spatiales en raison de son caractère amagnétique. En apesanteur, les pièces en titane peuvent être placées à proximité des équipements électroniques et électriques sans risque de produire ni arc ni perturbation électromagnétique.
Outre cela, cet élément est employé pour mettre au point les ailettes des lanceurs réutilisables Falcon 9 de SpaceX. Grâce à sa résistance thermique élevée, il prolonge la durée de vie de ces ailettes qui sont en activité maintes fois, sans nécessiter d’entretien difficile.
Il est bon de noter que la quantité de titane importée par l’Union européenne est de 70 000 tonnes par an. Les deux tiers sont destinés à l’industrie aéronautique et spatiale. En effet, la Russie était le premier fournisseur de titane de l’aéronautique mondiale à travers la société VSMPO-AVISMA. Cette dernière détient plus du quart du marché mondial. Elle approvisionne, via des contrats à long terme, de grands groupes industriels tels qu’Airbus et Safran.
Les applications chimiques
Le titane est particulièrement sollicité dans le secteur de la chimie. Il existe par exemple des tubes fabriqués à partir de ce matériau dans plusieurs condenseurs. Résistant à l’abrasion ou à la corrosion, ce type de métal procure une meilleure durabilité à ces dispositifs.
Cet élément est aussi aperçu sous forme de réacteurs dans les raffineries, grâce à sa bonne résilience à CO2 et à H2S. En raison de sa résistance au Cl, il est d’ailleurs utilisé dans le processus de blanchiment des pâtes chimiques destinées à la confection de papier. Au Japon, sa résistance aux agents biologiques et à la corrosion fait de lui un excellent composant pour le traitement des eaux.
Les applications militaires
Le titane sert à mettre au point le blindage pour des véhicules, des navires ou des cockpits d’avions de chasse. Il est choisi pour ses propriétés mécaniques, son caractère non corrosif et sa résistance au feu. Aux États-Unis, ce matériau sert même à construire la carrosserie de certains véhicules militaires légers.
En Russie, le titane constitue un matériau de construction de nombreux sous-marins nucléaires. C’est l’une des utilisations les plus incroyables de ce métal. Il existe notamment le sous-marin « classe Alfa », dont la coque est fabriquée entièrement à partir de ce matériau très résistant. Il peut ainsi accéder à de plus grandes profondeurs.
Grâce au caractère amagnétique du titane, le sous-marin ne peut pas être détecté par les dispositifs d’observation satellitaires. Ces derniers emploient les changements ponctuels du champ magnétique terrestre produits par les coques en acier. Il est cependant à noter que ce procédé n’est plus d’actualité. Aujourd’hui, des circuits électroniques spécialisés sont ajoutés dans les structures des sous-marins, les rendant imperceptibles.
Dans le secteur militaire, le titane compte parmi les matériaux indispensables durant les guerres. L’inconvénient principal des coques en titane est leur coût élevé, car ce métal est difficile à souder.
Le secteur biomédical
L’utilisation du titane dans le domaine médical est reconnue depuis plus de cinquante ans. En effet, les premiers implants dentaires réalisés à partir de ce matériau furent posés par le professeur Per-Ingvar Branemark en 1964.
En raison de sa biocompatibilité, ce métal est de plus en plus sollicité. Il sert notamment à fabriquer des prothèses, car l’os y adhère de manière spontanée. De plus, il est mécanocompatible. Cependant, de nos jours, les chercheurs étudient encore le véritable intérêt de l’employer dans les branches de l’ostéosynthèse et de la chirurgie.
Dans le domaine de l’odontologie, le titane permet de réaliser d’implant dans l’os pour les supports de prothèses et la fabrication d’armatures ou de chapes prothétiques. En endodontie, le composé NiTi est employé sous forme de minuscules limes super-élastiques. Ces dernières servent à arranger les canaux dentaires pour les dévitalisations.
En orthodontie, grâce à son élasticité et à sa capacité de mémoire de forme, le titane constitue le matériau privilégié pour créer des arcs servant à rectifier la position des dents. Ce métal entre aussi dans la construction des bobines supraconductrices des dispositifs de diagnostic à IRM. Dans ce cas, il est mélangé au niobium.
Il convient de préciser l’existence du matériel en titane dans le secteur de la chirurgie, en l’occurrence, les forets creux refroidis à l’eau. Contrairement à l’acier, un débris de ce métal ne causera aucune infection postopératoire s’il se trouve dans l’organisme. Cela est possible en raison de son aspect biocompatible.
La filière énergétique
Aux États-Unis, le titane est employé dans les circuits secondaires de réacteurs nucléaires pour réduire les arrêts de tranches coûteux. Cet élément sert également à fabriquer les canalisations et les carters dans la géothermie, ainsi que des tubes droits ou en forme de U dans les échangeurs de chaleur. Il est ainsi choisi pour sa résistance à l’érosion et sa grande tenue à la corrosion.
En raison de sa résistance spécifique mécanique supérieure, ce métal est présent sous forme d’aubes dans les turbines génératrices de vapeur. Ainsi, les risques de rupture d’aubes sont minimisés et les arrêts de centrale sont significativement limités.
L’industrie automobile
Les constructeurs automobiles allemands, américains et japonais intègrent des pièces en titane dans leurs voitures de tourisme. Dans ce cas, ce métal rend plus légères les structures, en vue de réduire la nuisance sonore et les émanations du moteur. Dans ce secteur, il sert notamment à construire des ressorts, des soupapes et des bielles.
Les ressorts en titane profitent grandement des propriétés mécaniques de cet élément. En effet, le module de Young du titane est deux fois inférieur à celui de l’acier. Donc, il nécessite deux fois moins de spires. Grâce à sa faible densité (deux fois inférieure à celle de l’acier), le ressort jouit d’une grande légèreté. De plus, il est quatre fois moins encombrant que l’acier dans la suspension. Outre cela, sa durée de vie est presque illimitée et sa résistance à la salinité est un atout inégalé.
L’optique
Le titane constitue un métal de transition doté d’une couche 3D électrostatiquement moins écrantée. Il joue ainsi le rôle d’un dopant pour la création du milieu amplificateur de lasers accordables tels que le laser titane-saphir. Les amplificateurs optiques « saphir dopé titane » présentent une courbe de gain particulièrement élargi. On obtient une forte accordabilité en fréquence. Depuis 1981, ce matériau est aussi employé dans un autre domaine de l’optique, notamment la fabrication des montures de lunettes. Il est à la fois flexible, léger, résistant et biocompatible.
Le sport
Dans le cyclisme, des fabricants de vélos privilégient le titane pour fabriquer des cadres de qualité premium. Ce matériau possède une légèreté comparable à celle du carbone et une résistance supérieure à celle de l’acier. Il est également utilisé pour construire des guidons de trottinette freestyle (résistants aux chocs et légers). En alpinisme, il sert à réaliser des mousquetons. Dans ce contexte, c’est surtout sa résilience aux températures cryogéniques qui intéresse les fabricants.
Divers autres usages
En architecture, le titane joue le rôle de matériau de recouvrement en raison de son aspect esthétique et de sa faculté à se couvrir d’une couche d’oxyde résistante. Par exemple, il a été sollicité pour construire la sculpture « The Shoal » à Londres, au Royaume-Uni et le musée Guggenheim à Bilbao, en Espagne.
En pyrotechnie, le titane sous forme de copeaux est mélangé avec de la poudre noire pour créer des étincelles blanches. Il peut aussi être combiné aux perchlorates, générant ainsi de fortes explosions.
Ce métal léger et résilient est utilisé dans la fabrication d’armures médiévales. Comparées aux armures classiques en acier (30 kg), celles en titane (15 kg seulement) sont plus efficaces et plus confortables.
En joaillerie, il est sollicité pour fabriquer des bijoux de piercing et des bijoux artisanaux. Son caractère inerte et sa belle couleur (obtenue par anodisation) sont particulièrement appréciés dans ce secteur.
De nombreuses autres applications sont possibles, pour ne citer que :
- Le dioxyde de titane est un composant essentiel des crèmes solaires. Il permet de protéger la peau contre les rayons ultraviolets.
- Le tétrachlorure de titane est employé pour iriser le verre. Il peut aussi faire office d’écran de fumée.
- Le titane entre dans la préparation de quelques émaux qui seront posés sur les pièces en céramique.
Enfin, il est bon de noter que les couples peuvent célébrer leurs noces de titane au 72e anniversaire de leur mariage. Par ailleurs, cet élément chimique résistant représente le onzième niveau dans la progression de la sarbacane sportive.