Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22. C’est un métal de transition léger, résistant, d’un aspect blanc métallique, qui résiste à la corrosion.
Le titane est principalement utilisé dans les alliages légers et résistants, et son oxyde est utilisé comme pigment blanc. On trouve cet élément dans de nombreux minerais mais ses principales sources sont le rutile et l’ilménite.
Il appartient au groupe des Titane avec le Zirconium (Zr), Hafnium (Hf) et Rutherfordium (Rf).
Occurrence et Production
On trouve du titane dans les météorites, dans le soleil et dans les étoiles de type M. Les roches ramenées depuis la lune par la mission apollo 17 sont composées à 12,1% de TiO2. On en trouve également dans le charbon, les plantes et même dans le corps humain.
Sur terre, le titane n’est pas une substance rare. Il est le dixième élément le plus abondant de la croûte terrestre, sa teneur moyenne y est de 0,63 %.
Seuls les éléments suivants le précèdent par ordre décroissant : l’azote, l’oxygène, le silicium, l’aluminium, le fer, le magnésium, le calcium, le sodium et le potassium.
La plupart des minéraux, roches et sols contiennent de petites quantités de titane. On dénombre 87 minéraux ou roches contenant au moins 1% de titane pur. Les minerais riches en titane sont par contre très peu nombreux, à savoir, l’anatase (TiO2), la brookite(TiO2), l’ilménite (Fe(TiO3)2) et ses altérations par carence de fer : le leucoxène, la perovskite (CaTiO3), le rutile (TiO2), la sphène ou titanite (CaTiO(SiO4)) et la titanomagnétite (Fe(Ti)Fe2O4). La majorité du titane sur terre se trouve sous forme d’anatase ou de titanomagnétite, mais ces derniers ne peuvent être exploités avec les technologies actuelles de manière rentable. Seuls l’ilménite, le leucoxène et le rutile sont intéressants économiquement, étant donné la facilité avec laquelle ils peuvent être traités. On trouve des gisements de titane en Australie, Scandinavie, Amérique du Nord, Malaisie, la Russie, Chine, Afrique du Sud et Inde.
La réserve mondiale totale, à savoir celle qui n’est pas encore technologiquement et économiquement exploitable, est estimée à 2 milliards de tonnes. Les réserves prouvées de rutile et d’ilménite, calculées en pourcentage de TiO2 utilisable et technologiquement extractible en 2005, sont estimées à 600 millions de tonnes. Répartition des réserves exploitables d’oxyde de titane en 2005Source : U.S. Geological Survey, January 2005 Principaux producteurs d’oxyde de titane en 2003, Chiffres de 2003, en milliers de tonnes de dioxyde de titane :
| Pays | Milliers de tonnes | % du total |
| Australie | 1291,0 | 30,6 |
| Afrique du Sud | 850,0 | 20,1 |
| Canada | 767 | 18,2 |
| Norvège | 382,9 | 9,1 |
| Ukraine | 357 | 8,5 |
| Total 5 pays | 3647,9 | 86,4 |
| Total monde | 4221,0 | 100,0 |
Enjeux économiques
Le nombre de producteurs de titane à haute pureté est très limité et est concentré dans les régions à forte demande intérieure. En effet, le titane étant un matériau stratégique pour les secteurs aéronautique, énergétique et militaire, les gouvernements des pays industrialisés ont organisé leur propre industrie de production. L’émergence récente de production en Chine et en Inde dans le cadre des plans pluriannuels de développement de l’industrie de défense, confirme cette analyse. Le fait que cette industrie soit destinée en premier lieu à satisfaire des besoins intérieurs stratégiques explique en partie le flou de l’information sur les capacités réelles de production.
Le développement de l’industrie dans le monde libéral a permis aux producteurs occidentaux d’accroître leur offre jusqu’à l’arrivée des producteurs des pays de l’ex-URSS. On peut considérer que le niveau des prix du marché, avant 1990, était principalement basé sur les coûts de production des pays occidentaux (États-Unis, Europe de l’ouest, Japon) et sur le positionnement par spécialisation de produit de ces fournisseurs aboutissant à un certain lobbying. L’arrivée sur le marché des producteurs russe, ukrainien et, à plus long terme, chinois marque de nouvelles étapes dans l’évolution du marché du titane. Ainsi, une pression sur les prix s’exerce pour gagner des parts sur le marché actuellement dominé par les États-Unis et le Japon. Cette pression se caractérise par une baisse des prix que les coûts de production rendent possible. Et, par le jeu de la concurrence, la diversification de l’offre peut contribuer à briser le positionnement par spécialisation de produit.
Évolution du prix du titane sur le marché mondial
Utilisations
Aspects généraux
La plus grande utilisation du titane (95%) est faite sous sa forme de dioxyde de titane TiO2 (anatase), qui est un pigment important utilisé à la fois dans les peintures domestiques et les pigments des artistes, les matières plastiques, le papier, les médicaments… Il a un bon pouvoir couvrant et est assez résistant au temps. Les peintures à base de titane sont de très bons réflecteurs des infrarouges, et sont donc très utilisées par les astronomes.
Autrefois réputé cher à cause de sa valeur d’achat, le titane est de plus en plus considéré comme économique dans les coûts d’exploitation. La clé du succès pour sa rentabilité est d’utiliser au maximum ses propriétés et caractéristiques uniques dès la conception, plutôt que de les substituer ex abrupto à un autre métal. Les coûts d’installation et d’exploitation des tubes de forage en titane dans des exploitations pétrolières offshore sont entre 50 et 200 % plus bas qu’avec la référence acier.
En effet, d’une part, la résistance à la corrosion évite les opérations de revêtement des tubes et permet des durées de vie trois à cinq fois supérieures à l’acier et d’autre part, la valeur élevée de sa résistance spécifique permet de réaliser des tubes fins et ultralégers. Cet exemple montre bien que le titane, initialement employé dans le domaine aéronautique touche de plus en plus de secteurs.
Industries aéronautiques et aérospatiales
Les domaines de l’aéronautique et de l’aérospatiale constituent la première des applications historiques du titane. Dans ce secteur on utilise totalement ses caractéristiques spécifiques.
De nos jours, le titane constitue 6 à 9% de la masse des avions. On en trouve tout d’abord sous forme de pièces forgées, dont la plus impressionnante est le train d’atterrissage du Boeing 777, mais aussi sous forme de boulons. Il ne faut pas oublier les éléments de moteurs, à savoir les étages basses et moyennes températures : disques de turbine, carter, etc. ; la température maximale d’utilisation étant limitée à 600 °C.
Dans le domaine de l’espace, il est utilisé pour les éléments du moteur Vulcain d’Ariane 5 en contact avec le mélange H2 / O2 et sa combustion ; les rouets centrifuges sont ainsi soumis à des températures cryogéniques d’un côté (température H2 liquide) et à celles de la combustion de l’autre. Il sert aussi de réservoir aux gaz de propulsion pour les satellites grâce à ses bonnes propriétés cryogéniques et à sa résistance à la corrosion des gaz propulseurs. Enfin, comme c’est un métal faiblement magnétique, il est embarqué sur les stations spatiales sous forme d’outil du fait qu’il peut évoluer en apesanteur près des appareillages électriques sans risque de créer un arc.
Industrie chimique
Le secteur de la chimie au sens large correspond à la seconde utilisation historique du titane.
On trouve des tubes en titane dans de nombreux condenseurs, où sa résistance à la corrosion et à l’abrasion permet des durées de vie élevées.
Il sert aussi sous forme de réacteurs dans les raffineries (résistance à H2S et CO2) et pour le blanchiment de la pâte à papier (résistance au Cl).
Au Japon, il est également utilisé dans les traitements des eaux en raison de sa résistance à la corrosion et aux agents biologiques.
Industrie militaire
On l’emploie comme blindage (porte-avions américains) où ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion et au feu sont mises en avant. Aux États-Unis, on a même été jusqu’à concevoir des véhicules légers, dont la carrosserie en titane possède une résistance spécifique inégalable et facilite le transport par hélicoptère.
Mais la plus spectaculaire des utilisations est bien sûr la réalisation de plusieurs sous-marins nucléaires par les russes dont la coque entière est en titane. L’avantage du titane dans ce cas est double:
- sa grande résistance permet au sous-marin d’atteindre de plus grandes profondeurs,
- le titane n’étant pas magnétisable, le sous-marin échappe aux détections satellitales qui utilisent les changements ponctuels du champ magnétique terrestre créés par les coques en aciers. (Cette méthode est devenue obsolète à cause de l’adjonction de circuits électroniques spécialisés qui rendent imperceptible la signature magnétique d’un sous-marin).
Le seul défaut majeur de ces coques est le prix du titane qui les rend extrêmement onéreuses.
Secteur biomédical
On dispose actuellement d’un retour d’expérience d’une petite trentaine d’années d’utilisation dans le domaine médical. Son emploi s’est développé en raison de son caractère biocompatible. En effet, l’os adhère spontanément au titane ce qui en fait un matériau privilégié pour la réalisation de prothèses. En plus de cet aspect biocompatible, le titane est mécanocompatible. Le titane a aussi fait une percée importante dans le domaine de l’odontologie où il sert d’implant dans l’os pour les supports de prothèses ainsi que pour la confection d’infrastructures prothétiques appelées chapes dans le jargon du chirurgien dentiste.
Toutefois, des études récentes mettent un bémol à la biocompatibilité du titane que l’on pensait jusque-là totale. Des études récentes font état d’une toxicité cellulaire du titane responsable dans certains cas d’une ostéolyse aseptique conduisant à la perte de la prothèse orthopédique. En bouche, le titane réagit au contact de la salive, en particulier quand d’autres métaux (alliages, amalgames) coexistent. En outre une part faible de la population (4%) y serait allergique.
Il faut enfin signaler l’apparition d’outillage en titane pour la chirurgie, comme les forets creux refroidis à l’eau. À l’inverse de l’acier, tout débris d’outil en titane pouvant rester dans le corps n’occasionnera pas d’infection postopératoire, du fait de sa biocompatibilité.
Enfin, le titane rentre dans la composition des bobines supraconductrices des appareils IRM en association avec un autre métal de transition : le niobium.
Industrie énergétique
Le titane est également utilisé, notamment aux États-Unis, dans les circuits secondaires de réacteurs nucléaires afin de minimiser le nombre d’arrêts de tranches qui sont extrêmement coûteux. Il faut aussi noter son utilisation dans la géothermie sous forme de canalisations et de carters et dans les échangeurs de chaleurs (tubes droits ou en U), toujours pour sa tenue à la corrosion et sa résistance à l’érosion. Enfin grâce à sa résistance spécifique élevée, on en utilise dans les turbines génératrices de vapeur sous forme d’aubes ; dans ce cas, on réduit fortement les arrêts de centrale dus aux ruptures d’aubes.
Industrie automobile
Un nouveau secteur d’application semble bien être la construction automobile. C’est surtout les marques allemandes, japonaises et américaines qui introduisent des pièces de titane dans les voitures de tourisme.
Ce qui est recherchée est l’allègement des structures visant à réduire à la fois les émanations du moteur et le bruit ; on trouve ainsi des soupapes, des ressorts et des bielles en titane. Le cas des ressorts est typique d’une bonne utilisation des propriétés du titane : comme son module de Young est deux fois plus faible que celui de l’acier, il faut deux fois moins de spires ; comme il est deux fois moins dense que l’acier, le ressort est quatre fois plus léger, et il faut deux fois moins de place pour le loger dans la suspension. Si on ajoute à cela qu’il a une durée de vie quasi illimitée, même sur les routes à haut degré de salinité, on comprend l’intérêt de l’industrie automobile.
Autres utilisations
- Le tétrachlorure de titane est utilisé pour iriser le verre, et comme il fume beaucoup au contact de l’air comme écran de fumée.
- Son côté inerte et sa couleur agréable en font un métal courant pour les bijoux de piercing.
- Il est parfois utilisé comme catalyseur.
- Il est utilisé en génie civil comme matériau de recouvrement. Ses propriétés à la corrosion mais surtout sa faculté, par anodisation thermique, à se couvrir d’une couche d’oxyde extrêmement résistante, pouvant prendre toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, en font un matériau de choix (exemple du musée Guggenheim à Bilbao).
Symbolique
Le titane est le 11e niveau dans la progression de la Sarbacane sportive.
Conclusion
Les propriétés du titane sont extrêmement variées. Il faut non seulement retenir la résistance à la corrosion, souvent associée à la résistance à l’érosion et au feu, la biocompatibilité mais aussi les excellentes propriétés mécaniques (résistance, ductilité, fatigue, etc.) qui permettent de concevoir des pièces plus fines et légères. Cet éventail attractif de propriétés explique le développement des applications dans les domaines aéronautique, aérospatial, chimique et médical. En outre, grâce à un meilleur rendement à la production, le titane est de plus en plus utilisé dans des applications courantes telle que l’industrie du sport ou de l’automobile.