Titane : Aussi solide que l'acier, aussi léger que l'aluminium-et c'est aussi dans votre corps
Un os en alliage de titane peut rester dans votre corps toute une vie, et un avion entièrement-en titane peut voler à trois fois la vitesse du son. Ce métal-plus léger que l'acier et plus résistant que l'aluminium-est caché dans votre dentifrice, votre crème solaire et vos genoux.
Ce métal est le titane. Ce n'est pas excessivement cher ; c'est tout simplement scandaleusement rare.
I. La moitié du poids de l'acier, deux fois plus dur que l'aluminium
Le titane a une densité de 4,51 g/cm³, soit 56 % de celle de l'acier et 1,6 fois celle de l'aluminium. La résistance du titane pur est comparable à celle de l'acier au carbone moyen-, tandis que les alliages de titane (le plus classique étant le Ti-6Al-4V, connu dans l'industrie sous le nom de "Titanium 64") poussent la résistance à 900-1 170 MPa, les plaçant dans la même catégorie que les aciers alliés à haute résistance. En termes de résistance spécifique, c'est-à-dire la charge qu'il peut supporter par unité de poids, le titane surpasse tous les autres métaux.
Ce qui est encore plus remarquable, c’est que cette haute résistance ne se fait pas au détriment de la ténacité. Même si de nombreux aciers à haute résistance-sont solides, ils sont souvent fragiles ; Les alliages de titane, cependant, conservent une bonne ténacité et résistance à la rupture même dans l'azote liquide à -200 degrés, et ne se ramollissent pas rapidement à des températures élevées supérieures à 400 degrés, contrairement aux alliages d'aluminium. Des basses températures de l'hélium liquide proches de 4 K aux températures élevées des turbines des moteurs d'avion autour de 500 degrés, les alliages de titane ne présentent aucun écart de performance significatif sur toute la plage de températures.
Considérons maintenant la résistance à la corrosion. Une couche dense de passivation TiO₂ se forme spontanément à la surface du titane ; bien que d’une épaisseur de seulement quelques nanomètres, il agit comme une armure protectrice étroitement liée au substrat. Même si cette couche est rayée, elle se réoxyde rapidement-et se répare-si rapidement que les signes de corrosion sont pratiquement invisibles. Un alliage de titane laissé immergé dans l’eau de mer pendant vingt ans brillera encore une fois essuyé après son retrait. Les fluides tels que l'acide sulfurique concentré, l'acide nitrique, le chlore gazeux et les acides organiques ont également du mal à provoquer une corrosion importante. La seule faiblesse est l'acide fluorhydrique (HF) : les ions fluorure dissolvent directement le film d'oxyde sur la surface du titane, exposant le substrat en titane et provoquant une corrosion.
En prenant tout cela en compte, on pourrait penser que le titane doit être extrêmement cher. Cependant, le titane se classe au neuvième rang en abondance dans la croûte terrestre, ce qui le rend plus abondant que le cuivre, le zinc et le plomb. Alors pourquoi est-il encore cinq à dix fois plus cher que l’acier inoxydable ? Parce que le procédé Kroll est une méthode de type discontinu-à forte consommation d'énergie-qui nécessite environ 36 000 kilowattheures-heures d'électricité pour produire une tonne métrique d'éponge de titane-suffisamment pour alimenter un foyer moyen pendant trois ans. De plus, le titane a une conductivité thermique extrêmement mauvaise lors de l'usinage, ce qui provoque une concentration totale de la chaleur sur l'arête de coupe, ce qui use l'outil plusieurs fois plus rapidement que lors de la coupe de l'acier. Le coût élevé du titane ne vient pas de la matière première elle-même, mais du coût élevé de sa transformation.
II. Du titane importé clandestinement d'Union soviétique a été utilisé pour construire un avion espion américain capable de voler à trois fois la vitesse du son
L'avion de reconnaissance SR-71 "Blackbird", qui a effectué son vol inaugural en 1964, était un avion de reconnaissance stratégique à longue-portée, haute-altitude et haute-vitesse exploité par l'US Air Force. Il incorporait une richesse de technologies de pointe-de l'époque, notamment une structure en alliage de titane et un moteur à cycle variable de turboréacteur/statoréacteur-, et fut le premier avion à réaction opérationnel à franchir avec succès la barrière thermique. Il était capable de naviguer à une vitesse de croisière 3,2 fois supérieure à celle du son à une altitude de 24 000 mètres-si vite que les missiles de défense aérienne soviétiques lancés à l'époque ne pouvaient tout simplement pas le suivre. Tout au long de son histoire opérationnelle, il n'a jamais été abattu par des avions ennemis ou des missiles anti-aériens. L'un des secrets les mieux gardés de l'avion réside dans ses matériaux : 93 % de sa cellule est construite en alliage de titane.
III. Vous consommez et appliquez du titane tous les jours, mais vous ne vous en rendez peut-être pas compte
Parmi les minerais de titane extraits dans le monde, seulement 5 % environ sont réduits en titane métallique ; les 95 % restants sont transformés en dioxyde de titane (TiO₂), également appelé blanc de titane.
Le dioxyde de titane est le pigment blanc le plus important sur Terre. Il possède un indice de réfraction extrêmement élevé, maximisant l’efficacité de diffusion de la lumière blanche dans le spectre visible. Un kilogramme de dioxyde de titane peut couvrir environ 8 à 10 mètres carrés de surface, lui donnant une couleur blanc pur et opaque. Sans dioxyde de titane, les murs blancs de votre pièce deviendraient gris, le dentifrice deviendrait transparent, les tuyaux en plastique révéleraient leur couleur brun jaunâtre-naturelle et la crème solaire appliquée sur votre visage ressemblerait à un film gras et transparent.
La couche blanche et lisse des bonbons M&M's que vous mangez contient du dioxyde de titane. Le lait écrémé utilise du dioxyde de titane pour le blanchir, le faisant ressembler davantage à du lait entier. L’enrobage blanc des pilules est également constitué de dioxyde de titane. Même la couleur blanche du papier toilette que vous utilisez après être allé aux toilettes-si vous utilisez une marque à haute-blancheur-est probablement due au dioxyde de titane.
IV. Une fois implantés dans le corps humain, vos os fusionneront activement avec lui
Si l’alliage de titane est implanté dans le corps humain, il n’est pas rejeté comme les métaux ordinaires ; au lieu de cela, il « fusionne » progressivement avec l’os environnant. Ce phénomène est connu en médecine sous le nom d'ostéointégration.
La clé de cette capacité du titane réside dans la formation d’une couche d’oxyde très dense à sa surface. Cette couche est stable et n’irrite pas les tissus humains, permettant aux cellules osseuses de s’attacher et de proliférer en toute sécurité à sa surface, formant progressivement un nouveau tissu osseux.
En revanche, de nombreux métaux sont sujets à des réactions de desserrage, de corrosion ou de rejet après l'implantation, tandis que les alliages de titane offrent une meilleure biocompatibilité et une plus grande stabilité à long terme. Pour cette raison, ils sont largement utilisés dans des applications médicales telles que les articulations artificielles, les plaques osseuses, les vis et les implants dentaires.
En termes simples, le titane n'est pas « forcé » dans l'os ; au contraire, l'os l'accepte volontiers.
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