Le titane est l'élément chimique de numéro atomique 22, de symbole Ti. La variante titanium, bien qu'attestée en français depuis 1872., est considérée comme un anglicisme incorrect.
Le titane appartient au groupe 4 du tableau périodique (groupe du titane) avec le zirconium (Zr), le hafnium (Hf) et le rutherfordium (Rf), c'est un métal de transition. On trouve cet élément dans de nombreux minerais mais ses principales sources sont le rutile et l'anatase.
Le corps pur titane est un métal léger, résistant, d'aspect blanc métallique, qui résiste à la corrosion. Il est principalement utilisé dans les alliages légers et résistants, et son oxyde est utilisé comme pigment blanc. Les propriétés industriellement intéressantes du titane sont sa résistance à la corrosion, souvent associée à la résistance à l'érosion et au feu, la biocompatibilité, mais aussi ses propriétés mécaniques (résistance, ductilité, fatigue) qui permettent notamment de façonner des pièces fines et légères comme les articles de sport, mais aussi des prothèses orthopédiques.
Histoire Le titane est découvert en 1790 par le révérend William Gregor., minéralogiste et pasteur britannique. En analysant des sables de la rivière Helford dans la vallée de Menachan en Cornouailles, il isole ce qu'il nomme du sable noir, connu aujourd'hui sous le nom d'ilménite. À la suite de plusieurs manipulations physico-chimiques (extraction du fer par des procédés magnétiques et traitement du résidu par de l'acide chlorhydrique), il produit un oxyde impur d'un métal inconnu. Il nomme cet oxyde menachanite. Indépendamment de cette découverte, en 1795Merck Index, , 9547., Martin Heinrich Klaproth, professeur de chimie analytique à l'université de Berlin, identifie le même métal. Alors qu'il analyse les propriétés du schörlite rouge, aujourd'hui désigné par le nom de rutile, il conclut que le minerai contient un métal inconnu identique à celui de Gregor. Il lui donne le nom de « Titane », tiré de la mythologie grecque, d'après les Titans, en ignorant totalement ses propriétés physico-chimiques. C'est Berzelius qui l'isole en 1825.
Il faut attendre plus d'un siècle après la découverte de Gregor pour que l'Américain Matthew Albert Hunter, chercheur à l'Institut polytechnique Rensselaer à Troy, soit capable, en 1910, de produire du titane pur à 99 %. Les premières obtentions de titane par Hunter ne sont pas suivies de développement industriel pendant plusieurs années.
En 1939, le procédé industriel de production est finalement mis au point par Wilhelm Justin Kroll, métallurgiste et chimiste luxembourgeois, consultant au Union Carbide Research Laboratory de Niagara Falls, par réduction du TiCl avec du magnésium.
La production d'éponge de titane aux États-Unis passe de 75 short ton en 1950 à . La moitié de la production américaine de cette année-la est utilisée pour la fabrication des turboréacteurs Pratt & Whitney J57..
Propriétés physiques Propriétés physiques de base Les caractéristiques physiques remarquables du titane sont : sa masse volumique, qui est environ 60 % de celle de l'acier ; sa tenue à la corrosion, exceptionnelle dans de nombreux milieux tels que l'eau de mer ou l'organisme humain ; ses caractéristiques mécaniques qui restent élevées jusqu'à une température d'environ et restent excellentes jusqu'aux températures cryogéniques ; son existence sous des formes et des types de produits très variés : lingots, billettes, barres, fils, tubes, brames, tôles, feuillard ; sa valeur de susceptibilité magnétique () très inférieure à celle du fer (), qui en fait un matériau avantageux en cas de diagnostic par IRM grâce à la diminution des artefacts ; son coefficient de dilatation, légèrement inférieur à celui de l'acier, qui est moitié moindre que celui de l'aluminium. On prendra pour valeur moyenne un coefficient de dilatation de ; son module de Young ou module d'élasticité longitudinal, qui se situe entre . Cette valeur assez faible comparée à l'acier inox () en fait un matériau particulièrement intéressant pour sa biocompatibilité.
Propriétés cristallographiques Le titane pur est le siège d'une transformation allotropique de type martensitique au voisinage de . En dessous de cette température, la structure est hexagonale pseudo-compacte ( , , 1,587) et est appelée Ti α (groupe d'espace P63/mmc). Au-dessus de cette température la structure est cubique centrée ( ) et est appelée Ti β. La température de transition est appelée transus β. La température exacte de transformation est largement influencée par les éléments substitutifs et interstitiels. Elle dépend donc fortement de la pureté du métal. thumb|Structure cristallographique des mailles α et β du titane.
Isotopes
On trouve le titane sous la forme de 5 isotopes dans la nature : 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti. Le 48Ti représente l'isotope majoritaire avec une abondance naturelle de 73,8 %. 21 radioisotopes ont été observés ; le plus stable, le 44Ti, possède une demi-vie de .
Oxydes Le titane peut se trouver sous plusieurs états d'oxydation comme de nombreux métaux de transition. Il possède donc plusieurs oxydes correspondant à ces degrés d'oxydation : monoxyde de titane TiO - Ti(II) ; trioxyde de dititane TiO - Ti(III) ; dioxyde de titane TiO - Ti (IV) ; trioxyde de titane TiO - Ti(VI).
Propriétés mécaniques vignette|Tetrachlorure de titane
Érosion La couche d'oxyde très adhérente et dure explique la longévité de pièces en titane soumises aux chocs de particules en suspension dans les fluides. Cet effet est amplifié par la capacité qu'a cette couche de se régénérer. L'érosion dans l'eau de mer est augmentée par un débit plus élevé ou une granulométrie plus faible.
Résistance et ductilité Le titane est considéré comme un métal ayant une résistance mécanique importante et une bonne ductilité dans les conditions normales de température. Sa résistance spécifique (rapport résistance à la traction / densité) est, par exemple, plus élevée que celle de l'aluminium ou l'acier. Sa résistance est décroissante à la température avec un replat entre et . En dessous de , dans les domaines de températures cryogéniques, sa résistance augmente et sa ductilité diminue grandement.
Usure et grippage Jusqu', aucune solution satisfaisante n'a encore été mise au point. On a essayé principalement l'oxydation, la nitruration, la boruration et la carburation. On se heurte à de nombreuses difficultés technologiques de réalisation et d'adhérence. De plus, les traitements de surface du titane, modifiant la nature ou la structure de la surface, ne sont à employer qu'avec la plus grande prudence et après une étude approfondie de leur influence ; ils ont généralement un effet néfaste plus ou moins prononcé sur la résistance et la fatigue.
Biocompatibilité Avec l'or et le platine, le titane est l'un des métaux les plus biocompatibles, c'est-à-dire résistant aux fluides corporels.
De plus, il possède un module d'élasticité ( à ) plus proche de celui des structures osseuses (.) que l'acier inox (). Cette élasticité, qui favorise le remodelage osseux en obligeant l'os à travailler (prévention du ou ostéoporose péri-implantaire), fait du titane un bio-matériau particulièrement intéressant. Cependant, une élasticité excessive peut aussi compromettre la fonction du bio-matériau qui aurait subi une déformation inacceptable.
Résistance au feu La résistance au feu, notamment d'hydrocarbures, du titane est très bonne. Il a été démontré qu'un tube de d'épaisseur pouvait sans dommage ni risque de déformation ou d'explosion supporter une pression de dix atmosphères tout en étant soumis à un feu d'hydrocarbures à une température de . Cela est dû en premier lieu à la résistance de la couche d'oxyde qui évite la pénétration de l'hydrogène dans le matériau. En outre, la faible conductivité thermique du titane protège plus longtemps les éléments internes d'une élévation de température.
Propriétés chimiques Corrosion classique du titane Le titane est un métal extrêmement oxydable. Dans la série des potentiels électrochimiques standard, il se place au voisinage de l'aluminium, entre le magnésium et le zinc. Il n'est donc pas un métal noble, son domaine de stabilité thermodynamique ne présente, en effet, aucune partie commune avec le domaine de stabilité thermodynamique de l'eau et est situé fortement au-dessous de ce dernier. L'une des causes de la résistance à la corrosion du titane est le développement d'une couche protectrice passivante de quelques fractions de micromètre, constituée majoritairement d'oxyde Ti, mais il est reconnu qu'elle peut contenir d'autres variétés. Cette couche est intègre et très adhérente. En cas de rayure de la surface, l'oxyde se reforme spontanément en présence d'air ou d'eau. Il y a donc inaltérabilité du titane dans l'air, l'eau et l'eau de mer. De plus, cette couche est stable sur une large gamme de pH, de potentiel et de température.
Des conditions très réductrices, ou des environnements très oxydants, ou encore la présence d'ions fluor (agent complexant), diminuent le caractère protecteur de cette couche d'oxyde ; les réactifs d'attaque pour relever les micrographies sont le plus souvent à base d'acide fluorhydrique. Lors d'une réaction par cet acide, il y a formation de cation titane (II) et (III). La réactivité des solutions acides peut néanmoins être réduite par l'adjonction d'agents oxydants et/ou d'ions lourds métalliques. L'acide chromique ou nitrique et les sels de fer, nickel, cuivre ou chrome sont alors d'excellents agents inhibiteurs. Cela explique pourquoi le titane peut être utilisé dans des procédés industriels et des environnements où les matériaux conventionnels se corroderaient.
On peut modifier les équilibres électrochimiques par adjonction d'éléments d'addition qui réduisent l'activité anodique du titane ; cela conduit à améliorer la tenue à la corrosion. Selon les desiderata de modifications, on ajoute des éléments spécifiques. Une liste non exhaustive de quelques adjuvants classiques est reprise ci-dessous : déplacement du potentiel de corrosion et renforcement du caractère de cathode : adjonction de platine, palladium ou rhodium ; accroissement de la stabilité thermodynamique et réduction de la propension à la dissolution anodique : adjonction de nickel, molybdène ou tungstène ; augmentation de la tendance à la passivation : adjonction de zirconium, tantale, chrome ou molybdène.
Ces trois méthodes peuvent être combinées.
Corrosion spécifique du titane Le titane est très peu sensible aux modes particuliers de corrosion tels que la corrosion caverneuse ou la corrosion par piqûre. Ces phénomènes ne sont observés qu'en cas d'utilisation dans un domaine proche d'une limite pratique de tenue à la corrosion générale. Les risques de corrosion sous contrainte apparaissent dans les conditions suivantes : à froid dans l'eau de mer (en présence d'entailles aiguës seulement) ; dans certains milieux particuliers tels que le méthanol anhydre ; à chaud, en présence de NaCl fondu.
Les deux structures allotropiques se distinguent au niveau de la résistance à ce dernier type de corrosion ; le titane α y est fort sensible alors que le β quasiment pas.
Purification du titane Le procédé Van-Arkel-de-Boer
Ce procédé sert à isoler le titane ou le zirconium par formation réversible d'iodure volatil et dépôt du métal par pyrolyse sur un filament de tungstène.
Le procédé Kroll
Ce procédé permet de réduire l'oxyde de titane en titane par du magnésium. La première étape consiste à opérer une carbochloration sur le dioxyde de titane. Le produit est obtenu par action du chlore gazeux sur l'oxyde vers , le tout sur lit fluidisé selon la réaction :
TiO + 2 C + 2 Cl → TiCl + 2 CO